研究背景

锂离子电池的快速充电能力是其最重要的性能指标之一，直接影响其在新能源汽车等应用领域的用户体验。目前，大量研究致力于纳米/亚微米活性电极材料的结构设计，以加快颗粒尺度上的离子传输速度来提升电池的快充性能。然而，这些设计往往使电极的压实密度降低，孔隙率增加，降低了电池的能量密度。此外，在较高电极活性物质载量时，电极厚度（离子传输距离）大为增加，颗粒之间接触电阻也显著增大，导致载流子在电极内部传输变得缓慢（图1，左），快充性能变差。基于纳米/亚微米颗粒设计实现电池快充功能的设计往往极大牺牲了电池的能量密度。因此，在实现缩短充电时间的同时不牺牲电池的能量密度对新能源汽车发展具有重要的意义，迫切需要开发基于高面容量（例如> 3.5 mAh cm^-2）和低孔隙率的快充电极。

成果简介

近日，华中科技大学孙永明教授联合美国阿贡国家实验室陆俊研究员在国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries”的研究论文。该论文提出了一种由具有载流子传输通道垂直排列的大尺度单层颗粒组成的电极结构（图1，右），这样的电极设计解决了高载量纳米/亚微米颗粒电极具有的电极厚度增加、厚电极内部接触电阻变大、电极孔隙率高和电极内部离子传输缓慢等问题。作为例证，该研究采用高比容量的红P（2576 mAh g^-1）作为活性物质，并使用气相沉积法将其负载到具有垂直排列纳米通道（~ 22 nm）的大块石墨烯基颗粒中（红P/VAG，~60 μm），设计了由单层红P/VAG大块颗粒组成的电极。该电极展现出高的质量和体积比容量，并基于高面容量（5.6 mAh cm^-2）展现出出色的快速充电性能。当与LiNi_0.6Co0.2Mn_0.2O₂（NCM622）正极搭配时，NCM622||单层红P/VAG软包电池展现出优异的循环性能、高的能量密度（405 Wh kg^-1，1040 Wh L^-1）和快充性能[6 C (30 mA cm^-2, 10 min), 204 Wh kg^-1 (523 Wh L^-1)]。该研究结合理论和实验结果证明了单层大尺度活性颗粒电极结合垂直的载流子传输路径能够同时实现电池的快速充电和高的能量密度，为快充锂离子电池的研究提供了新的思路。

图文解析

图1.常规纳米/亚微颗粒电极（左）和单层活性颗粒电极（右）的示意图。

图2.（a）红P/VAG颗粒的制备示意图；（b, c）VAG颗粒的SEM和TEM图；（d）红P/VAG颗粒的STEM和相应的元素分布图像；（e）VAG和红P/VAG颗粒的氮气吸脱附等温线；（f, g）单层红P/VAG颗粒电极的SEM图；（e）中的插图为VAG和红P/VAG颗粒的孔径分布图。

要点

1. 利用酸性水溶液中氧化石墨烯的“layer-by-layer”组装趋势，合成了大块VAG颗粒。

2. VAG颗粒由平行排列的石墨烯基纳米片组成，孔道宽度大约为22 nm。

3. 通过调控电极浆料粘度，可制备单层红P/VAG颗粒电极，该电极（颗粒）的厚度大约为60 μm，且具有垂直于集流体的离子传输通道。

延长电池循环寿命。

图3. (a-c)比较单层红P/VAG颗粒电极、商业石墨以及Li₄Ti₅O₁₂电极的厚度、重量和体积容量以及在不同电流密度下的容量保持率，三种电极的面容量都为 5.6 mAh cm^-2；（d）比较单层红P/VAG颗粒电极与文献报道的快充电极的倍率性能；（e-h）模拟单层颗粒电极和常规颗粒电极内部电解液中的Li⁺浓度随着电极深度的变化，Li⁺在电解液中的浓度分布和电极过电位。

图4.（a, b）NCM622||单层红P/VAG全电池在1至40 mA cm^-2充电电流密度下的快充性能和中值电压变化；（c, d）NCM622||单层红P/VAG全电池在充电电流为20和30 mA cm^-2条件下的循环性能，以及LCO||单层红P/VAG全电池在30 mA cm^-2下的循环性能。

要点

1. NCM622||单层红P/VAG全电池在1 mA cm^-2的电流密度下面容量为5.4 mAh cm^-2，当充电电流为40 mA cm^-2时，仍保持2.2 mAh cm^-2，表现出优异的快充性能。

2. NCM622||单层红P/VAG全电池在充电电流为20 mA cm^-2条件下循环350圈后，容量保持率为80.6%。

图5.（a）NCM622||单层红P/VAG软包电池的结构示意图；（b, c） NCM622||单层红P/VAG软包电池在1至40 mA cm^-2的充电电流密度下的倍率性能；（d）当充电时间为30、 20、15、12、10和8 min时电池可达到的E_g和E_v；（e）各类电化学储能装置和NCM622||单层红P/VAG软包电池能量和功率密度的拉贡图；（f, g）NCM622||单层红P/VAG软包电池在15 mA cm^-2的充电电流密度下的循环性能（充电时间为20 min）。

要点

1. NCM622||单层红P/VAG软包电池的能量密度为405 Wh kg-1（1040 Wh / L）。

2. 当充电时间为10 min时，电池的能量密度可达204 Wh kg-1（523 Wh / L）。

原文链接：Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries, Shuibin Tu, Ziheng Lu, Mengting Zheng, Zihe Chen, Xiancheng Wang, Zhao Cai, Chaoji Chen, Li Wang, Chenhui Li, Zhi Wei Seh, Shangqing Zhang, Jun Lu*, Yongming, Sun*. Advanced Materials, 2022, DOI: 10.1002/adma.202202892.