作為消費電(dian)(dian)子(zi)與電(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車(che)的(de)(de)核心(xin)動(dong)(dong)力儲存(cun)部件，鋰(li)(li)(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)在(zai)推動(dong)(dong)碳中和(he)進程中扮演著關鍵(jian)角色。為了(le)滿(man)足電(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車(che)對(dui)更長續(xu)航里程和(he)更快充電(dian)(dian)時間日益增長的(de)(de)需求，提高(gao)(gao)鋰(li)(li)(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)能量密度(du)、快充能力和(he)循(xun)環壽命至關重要。一種有(you)(you)(you)前景的(de)(de)方法是開(kai)發具有(you)(you)(you)增強電(dian)(dian)化學性(xing)能和(he)機(ji)械穩定性(xing)的(de)(de)厚(hou)電(dian)(dian)極(ji)鋰(li)(li)(li)離(li)(li)子(zi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。然而(er)，該(gai)策略(lve)面臨兩大挑戰(zhan)：一是由于離(li)(li)子(zi)和(he)電(dian)(dian)子(zi)傳(chuan)輸距(ju)離(li)(li)增加(jia)導(dao)(dao)致(zhi)反應動(dong)(dong)力學降(jiang)低(di)；二是高(gao)(gao)充放電(dian)(dian)速(su)率下由于高(gao)(gao)鋰(li)(li)(li)化應力導(dao)(dao)致(zhi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)劑和(he)電(dian)(dian)極(ji)顆(ke)粒之間的(de)(de)界面脫層進而(er)加(jia)速(su)電(dian)(dian)池(chi)(chi)性(xing)能退化。近期，材料科(ke)學家(jia)提出的(de)(de)梯度(du)微(wei)結構(gou)設計(ji)方案為厚(hou)電(dian)(dian)極(ji)技術開(kai)辟(pi)了(le)新(xin)路徑，這種微(wei)結構(gou)設計(ji)通過構(gou)建(jian)電(dian)(dian)極(ji)內(nei)部的(de)(de)梯度(du)結構(gou)，有(you)(you)(you)望(wang)同步實現電(dian)(dian)荷(he)高(gao)(gao)效傳(chuan)輸與應力優化分布。由于缺乏梯度(du)厚(hou)電(dian)(dian)極(ji)體(ti)系內(nei)離(li)(li)子(zi)/電子傳輸與反應(ying)的(de)協同機制以及應(ying)力(li)演化規律的(de)深度認知，當前研究仍停留(liu)在"試錯式(shi)"探索(suo)階段。近日，188bet足球倪勇教授、何陵輝教授研究團隊與合作(zuo)者揭(jie)示(shi)了(le)梯度(du)厚(hou)電極體系內離子/電(dian)子協同(tong)的傳輸與反(fan)應機制；設計了一種多梯度匹配的厚電(dian)極微結構(gou)，該結構(gou)通(tong)過優化的傳輸與反(fan)應動(dong)力學，協同(tong)增強了厚電(dian)極快速充電(dian)能力和機械穩定性(xing)，為(wei)設計高(gao)倍率(lv)抗損傷電(dian)池提供了一種通(tong)用的理論(lun)方案。相(xiang)關(guan)研究成果(guo)以“Gradient-Matched Microstructural Engineering for Fast-Charging, Damage-Tolerant Thick Electrodes of Lithium-Ion Batteries” 為題發表在國際著(zhu)名學(xue)術期刊《Advanced Energy Materials》上。

圖1.多梯度微(wei)結(jie)構設(she)計(ji)準則-匹配準則。

圖(tu)2.多梯度微(wei)結構厚電極具有增強的(de)快充和機械性能(neng)

厚電極由(you)于離(li)子/電(dian)子(zi)傳輸的不對(dui)稱性和顯著增(zeng)加的路(lu)徑，在(zai)電(dian)極內部沿著厚度方(fang)向(xiang)存在(zai)三個固有的梯度物理場：電(dian)解液中(zhong)(zhong)的鋰離子(zi)通量(liang)、導(dao)電(dian)網絡中(zhong)(zhong)的電(dian)子(zi)通量(liang)以及(ji)顆粒表面的反應通量(liang)（圖1a-b）。這(zhe)種(zhong)固有的(de)梯(ti)度物理場是厚電(dian)極(ji)快(kuai)充(chong)和(he)機械性能較(jiao)差的(de)主要原(yuan)因(yin)。研究團隊提出(chu)了一種(zhong)通用的(de)厚電(dian)極(ji)微結構設計原(yuan)理—匹(pi)配(pei)原(yuan)則，該(gai)原(yuan)則將導電(dian)劑(ji)、孔(kong)隙率和(he)粒(li)徑的(de)梯(ti)度分(fen)布與這(zhe)些固有的(de)通量梯(ti)度相匹(pi)配(pei)，實現了一種(zhong)多梯(ti)度匹(pi)配(pei)的(de)電(dian)極(ji)微結構：從隔(ge)膜到集流體(ti)，導電(dian)劑(ji)含量和(he)粒(li)徑逐漸(jian)增加，同時孔(kong)隙率逐漸(jian)減小（圖1c-d）。研(yan)究團隊構(gou)建(jian)了鋰離子(zi)電池(chi)的力-電-化(hua)全耦合模(mo)型(xing)，通(tong)過多(duo)物理場仿真模(mo)擬驗證了該(gai)多(duo)梯度結(jie)構可以協(xie)同(tong)增強厚電極的快充(chong)性能和機械性能，快充(chong)性能提(ti)高(gao)34.04%，同時電極損(sun)傷降低20.34%（圖2）。

圖3.多梯(ti)度微(wei)結構設(she)計(ji)協同改善(shan)了(le)厚電極離子/電子/反應動力學

研究團隊進一步揭示了通量(liang)梯(ti)(ti)度(du)與(yu)微結構(gou)梯(ti)(ti)度(du)匹(pi)配(pei)的(de)(de)(de)內在(zai)(zai)機(ji)理(li)。首先(xian)，靠近集(ji)流體的(de)(de)(de)導電(dian)(dian)劑越多(duo)，可以(yi)為電(dian)(dian)子傳(chuan)輸提供(gong)更(geng)多(duo)可用(yong)(yong)路(lu)徑(jing)，從(cong)而最大(da)(da)限度(du)地減(jian)少電(dian)(dian)子傳(chuan)輸阻力(li)。其次，孔隙率分布(bu)應與(yu)鋰(li)離子通量(liang)相匹(pi)配(pei)，使(shi)得靠近隔(ge)(ge)膜的(de)(de)(de)較大(da)(da)孔隙率可以(yi)顯著提高局(ju)部離子擴散系(xi)數，在(zai)(zai)鋰(li)離子通量(liang)梯(ti)(ti)度(du)存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)情況下為離子傳(chuan)輸提供(gong)更(geng)多(duo)可用(yong)(yong)路(lu)徑(jing)，從(cong)而減(jian)輕電(dian)(dian)解液中的(de)(de)(de)濃(nong)差極化(hua)(hua)(hua)。第三，靠近隔(ge)(ge)膜的(de)(de)(de)較小顆(ke)(ke)粒(li)可以(yi)提高電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應速(su)率以(yi)匹(pi)配(pei)該(gai)處的(de)(de)(de)高反應通量(liang)，從(cong)而在(zai)(zai)鋰(li)化(hua)(hua)(hua)末期(qi)，靠近隔(ge)(ge)膜的(de)(de)(de)小顆(ke)(ke)粒(li)可以(yi)抑(yi)制(zhi)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應，減(jian)少該(gai)區域(yu)的(de)(de)(de)鋰(li)消耗，使(shi)更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)鋰(li)轉(zhuan)移到集(ji)流體側，使(shi)得靠近集(ji)流體的(de)(de)(de)大(da)(da)顆(ke)(ke)粒(li)具有(you)更(geng)大(da)(da)的(de)(de)(de)反應電(dian)(dian)流密度(du)，從(cong)而提高電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應沿電(dian)(dian)極深度(du)方向的(de)(de)(de)均勻性（圖(tu)3）。

研究團隊(dui)的工(gong)作系統揭示了梯度厚電極(ji)體系內(nei)離子/電(dian)子傳輸機制與應(ying)(ying)力演化(hua)規律，從原理上(shang)給出了(le)一種普適的(de)(de)(de)(de)厚電(dian)極(ji)(ji)梯(ti)度微結構(gou)設計準(zhun)則，這種多(duo)梯(ti)度微結構(gou)可以有效緩解厚電(dian)極(ji)(ji)能量密(mi)度和功率(lv)密(mi)度之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)矛盾，同(tong)時抑制電(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)分層損傷(shang)，從而為厚電(dian)極(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)商業化(hua)應(ying)(ying)用(yong)提供(gong)理論基礎。

188bet足球工程科(ke)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院博士(shi)(shi)研(yan)究(jiu)(jiu)生牛欣亞博士(shi)(shi)為論(lun)文第(di)一作者(zhe)，倪勇教授(shou)、陸(lu)宇(yu)陽助(zhu)理研(yan)究(jiu)(jiu)員為共同通訊作者(zhe)。合作者(zhe)包括(kuo)188bet足球何陵輝(hui)教授(shou)、北京理工大(da)學(xue)(xue)廖湘標(biao)教授(shou)。該工作得到國(guo)家自(zi)然科(ke)學(xue)(xue)基金、國(guo)家重點研(yan)發計(ji)劃等項目的支持。

論文(wen)鏈(lian)接(jie)：//doi.org/ 10.1002/aenm.202502245

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