Advanced Energy Materials:高能量/倍率锂离子电池电极的多层级理解和结构设计

作为一种便捷且发展迅猛的储能技术,锂离子电池从各种可商用的电化学器件中脱颖而出,其中电能的可重复储存与释放依赖于其中相互连结的动力学过程。由于电池电极结构呈多层级结构,电池可以被赋予不同功能,但同时使每个组分的潜能得到全面发掘也是亟待解决的重大课题。随着交通运输电气化以及电力网络的迅速渗透,对同时满足高能量和高倍率电池的需求日益增长。构造一个理想的电池需要多方面科学和工程学的努力,也需要对多层级时间和空间上动力学的深入理解以及协同调控。

尽管研究者们试图从材料化学,电池构造和纳米结构等方面寻求解决方案,锂离子电池技术仍需要实质性突破。即便设计并合成出高效的活性材料,它们在电池中表现出的性能也常常与预期不符,导致重大的能量损失和不理想的性质,这种偏差大多由于多层级时间和空间上的动力学过程受到阻碍。与研发材料化学相比,结构设计,特别是孔道结构对各种材料的应用都提供了一种更包容的策略。通过缩短固态扩散距离和增加暴露的离子传输通道,纳米科技可以设计并调控电化学性质。另一方面,增加活性物质载量可以显著提高能量密度,但纳米材料组成的厚电极仍面临着多尺度动力学受阻的问题,比如,纳米材料团簇尺度上的离子传输,以及活性物质与导电剂的混合界面上的电荷传输。因此,从原子/分子,到纳米/微米,再到整个电极层面,我们需要建立对于复合电极中多组分多尺度的理解,并对多孔结构于传输动力学以及电化学反应的影响进行系统的研究。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华课题组梳理了有关锂离子电池中多层级动力学过程研究的最新进展,以电化学储能过程的机理开始,列举阐释了对于锂离子电池电极由原子到电极各尺度的研究学习,囊括了电化学实验,先进表征技术以及模型计算。接着,他们总结了一些具有优异传输性质的厚电极实例和它们的设计理念。最后,作者还对厚电极设计的前景做出了展望。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202000808)上。