具有快速充電能力的高能量密度鋰離子電池（LIB）是便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的理想選擇。考慮傳統(tǒng)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基陽極能夠減少電極的體積和重量，從而提高整個(gè)電池的能量密度。然而，當(dāng)達(dá)到相當(dāng)高的面容量(>3.5 mAh cm^-2）時(shí)，倍率性能會(huì)下降，因?yàn)楹耠姌O中傳質(zhì)距離和阻抗增加。

當(dāng)前，很多研究來制備具有導(dǎo)電物種的納米合金型材料及其復(fù)合材料，縮短電荷傳輸距離，提高粒子級(jí)電導(dǎo)率。然而，在電極水平上，這些納米結(jié)構(gòu)陽極的快速充電能力仍然受到電荷轉(zhuǎn)移緩慢的嚴(yán)重困擾，這是由于納米顆粒的隨機(jī)堆積和低填充密度導(dǎo)致的高彎曲度和大的實(shí)際厚度。

因此，采用具有快速電荷轉(zhuǎn)移能力的大容量電極材料，合理設(shè)計(jì)具有空間效率的電極，是實(shí)現(xiàn)高面積容量LIB快速充電的關(guān)鍵。

近日，華中科技大學(xué)孫永明教授和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陸俊教授等人在Advanced Materials上發(fā)表最新成果，Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries，設(shè)計(jì)了單層粒子電極來實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的快充。

在這里，作者報(bào)告了單層厚顆粒電極設(shè)計(jì)，其中活性物質(zhì)紅磷嵌入垂直對(duì)齊的石墨烯的納米通道中（記為，紅P/VAG）。這種電極設(shè)計(jì)解決了由隨機(jī)堆疊活性粒子組成的傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)的高曲率和內(nèi)部顆粒/電極電阻引起的緩慢電荷轉(zhuǎn)移。

石墨烯的垂直離子傳輸納米通道和電子傳輸導(dǎo)電納米壁限制了電荷傳遞的方向，使傳輸距離最小化，紅P/VAG復(fù)合緩沖層中納米通道的不完全填充會(huì)局部改變體積，從而避免了循環(huán)過程中電極厚度的變化。紅磷具有高比容量(2576 mAh g^-1)，因此這種設(shè)計(jì)能夠兼顧能量密度和倍率性能。

單層塊狀顆粒電極表現(xiàn)出很高的面積容量（5.6 mAh cm^-2），這是報(bào)告的快充電池中最高的。搭配高負(fù)載的LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）陰極，組成的軟包電池表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)，具有高能量密度（405 Wh kg^-1，1040 Wh L^-1）和高功率密度（6 C為1224 W kg^-1和3137 W L^-1，30 mA cm^-2）。

這種具有內(nèi)部垂直電荷傳輸路徑的單層厚顆粒電極設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到其他先進(jìn)的電池系統(tǒng)，并促進(jìn)具有快充能力和高能量密度的LIB的發(fā)展。

圖1. 常規(guī)粒子電極的示意圖，由隨機(jī)堆疊的具有高彎曲度的活性粒子和具有低彎曲度的內(nèi)部納米通道的單層塊狀粒子電極組成

圖2. 紅P/VAG復(fù)合材料的合成及表征

圖3. 紅P/VAG與石墨和鈦酸鋰負(fù)極的電化學(xué)性能對(duì)比，以及電解液中和電極中鋰離子濃度的模擬

圖4. 紅P/VAG在全電池中的電化學(xué)性能

圖5. NCM622|單層紅P/VAG組成的軟包電池的性能

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

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