固态电池技术为设计电池设备的新结构提供了独特的机会。将大粒径的正极材料与小粒径的固体电解质材料混合已被用来增加厚正极层中的离子渗透，从而在低倍率下获得高容量。此外，采用多电解质层配置来防止锂枝晶渗透。对于负极，Si或Ag可以在高温和低倍率下实现长循环寿命。然而，这种在高面积容量下实现极快动力学的装置设计尚未见报道。
在此，哈佛大学李鑫团队通过在电池层级的设计，实现了高正极负载和高面容量固态全电池的快速动力学。这种动力学改进是通过设计层状结构的电极复合材料实现的。
在正极方面，该设计使得电池能够在 13 ~ 40 mA/cm2 的高电流密度下实现3 mAh/cm2 以上的高面容量，从而产生 5C 至 10C 的倍率。在负极方面，该设计打破了大多数其他负极临界倍率与放电电压呈负相关的普遍规律。整体设计使这种电池能够在室温和 5C 充电率条件下快速循环4,000 多次。
图1. 快速电池动力学的电极设计
总之，该工作通过在电极复合材料中设计层状结构，实现了高正极负载和高面积容量下全电池动力学的飞跃。在正极，作者利用大电解质颗粒作为锂离子通过厚正极层传导的高速公路，再加上小电解质颗粒，以确保 NMC 颗粒与电解质基质之间纳米到亚μm尺度的界面接触。在负极中，向硅层添加固体电解质可显著改善负极的整体动力学性能，从而提高临界倍率和放电电压。
因此，该工作所揭示的设计原理将有助于理解电池装置中限制高正极负载下快速循环的关键动力学过程，并加快高性能 SSB 的设计。
图2. 负极配置的电化学分析和比较
Fast Kinetics Design for Solid State Battery Device, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202309306
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