孙永明/陆俊AM：405 Wh/kg高能快充锂离子电池

具有快速充电能力的高能量密度锂离子电池（LIB）是便携式电子产品和电动汽车的理想选择。考虑传统嵌入式材料有限的能量和功率密度，使用高容量合金型的Si、Sn、或P基阳极能够减少电极的体积和重量，从而提高整个电池的能量密度。然而，当达到相当高的面容量(>3.5 mAh cm^-2）时，倍率性能会下降，因为厚电极中传质距离和阻抗增加。

当前，很多研究来制备具有导电物种的纳米合金型材料及其复合材料，缩短电荷传输距离，提高粒子级电导率。然而，在电极水平上，这些纳米结构阳极的快速充电能力仍然受到电荷转移缓慢的严重困扰，这是由于纳米颗粒的随机堆积和低填充密度导致的高弯曲度和大的实际厚度。

因此，采用具有快速电荷转移能力的大容量电极材料，合理设计具有空间效率的电极，是实现高面积容量LIB快速充电的关键。

近日，华中科技大学孙永明教授和美国阿贡国家实验室陆俊教授等人在Advanced Materials上发表最新成果，Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries，设计了单层粒子电极来实现锂离子电池的快充。

在这里，作者报告了单层厚颗粒电极设计，其中活性物质红磷嵌入垂直对齐的石墨烯的纳米通道中（记为，红P/VAG）。这种电极设计解决了由随机堆叠活性粒子组成的传统电极结构的高曲率和内部颗粒/电极电阻引起的缓慢电荷转移。

石墨烯的垂直离子传输纳米通道和电子传输导电纳米壁限制了电荷传递的方向，使传输距离最小化，红P/VAG复合缓冲层中纳米通道的不完全填充会局部改变体积，从而避免了循环过程中电极厚度的变化。红磷具有高比容量(2576 mAh g^-1)，因此这种设计能够兼顾能量密度和倍率性能。

单层块状颗粒电极表现出很高的面积容量（5.6 mAh cm^-2），这是报告的快充电池中最高的。搭配高负载的LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）阴极，组成的软包电池表现出稳定的循环，具有高能量密度（405 Wh kg^-1，1040 Wh L^-1）和高功率密度（6 C为1224 W kg^-1和3137 W L^-1，30 mA cm^-2）。

这种具有内部垂直电荷传输路径的单层厚颗粒电极设计可以扩展到其他先进的电池系统，并促进具有快充能力和高能量密度的LIB的发展。

图1. 常规粒子电极的示意图，由随机堆叠的具有高弯曲度的活性粒子和具有低弯曲度的内部纳米通道的单层块状粒子电极组成

图2. 红P/VAG复合材料的合成及表征

图3. 红P/VAG与石墨和钛酸锂负极的电化学性能对比，以及电解液中和电极中锂离子浓度的模拟

图4. 红P/VAG在全电池中的电化学性能

图5. NCM622|单层红P/VAG组成的软包电池的性能

Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries. Advanced Materials, 2022, 2202892.

https://doi.org/10.1002/adma.202202892