作为消费电子设备和电动汽车的关键能量存储单元，锂离子电池在实现碳中和目标的过程中发挥着不可替代的作用。为了应对电动汽车对更高续航能力和更短充电时间的迫切需求，提升锂离子电池的能量密度、快充性能以及循环寿命成为当务之急。一种具有潜力的策略是开发具备优异电化学性能与机械稳定性的厚电极电池。然而，这一策略面临两个主要难题：其一是由于离子与电子传输路径延长导致反应动力学下降；其二是高充放电速率下，因锂化应力升高造成导电剂与电极颗粒界面脱粘，从而加速电池性能劣化。近期提出的梯度微结构设计方案为厚电极技术提供了新的思路，该设计通过构建电极内部的梯度结构，有望同时实现高效的电荷传输与优化的应力分布。但由于缺乏对梯度厚电极体系中离子/电子传输与反应协同机制以及应力演化规律的深入理解，目前的研究仍处于“试错”阶段。
近日，中国科学技术大学倪勇教授与何陵辉教授研究团队及其合作方揭示了梯度厚电极体系中离子与电子协同传输及反应机制，并提出了一种多梯度匹配的厚电极微结构设计方案。该结构通过优化传输与反应动力学，实现了厚电极快充能力与机械稳定性的协同增强，为高性能抗损伤电池的设计提供了普适性理论框架。相关研究成果以“Gradient-Matched Microstructural Engineering for Fast-Charging, Damage-Tolerant Thick Electrodes of Lithium-Ion Batteries”为题发表于国际知名学术期刊《Advanced Energy Materials》。
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图1. 多梯度微结构设计准则——匹配原则
图2. 多梯度微结构厚电极展现出优异的快充与机械性能
厚电极因其离子/电子传输路径显著增长且存在不对称性，在厚度方向上形成了三个固有的梯度物理场：电解液中的锂离子通量、导电网络中的电子通量以及颗粒表面的反应通量（图1a-b）。这些固有梯度是厚电极快充性能和机械稳定性较差的根本原因。研究团队提出了一个通用的厚电极微结构设计原理——匹配原则，即将导电剂含量、孔隙率和粒径的梯度分布与上述通量梯度相匹配，形成一种多梯度匹配的电极结构：从隔膜侧到集流体侧，导电剂含量和粒径逐渐增加，而孔隙率则逐步减少（图1c-d）。研究人员建立了锂离子电池的力-电-化全耦合模型，并通过多物理场仿真验证了该多梯度结构可显著提升厚电极的快充性能与机械性能，快充效率提升34.04%，电极损伤降低20.34%（图2）。
图3. 多梯度微结构设计有效改善了厚电极的离子/电子/反应动力学
研究团队进一步阐明了通量梯度与微结构梯度之间的匹配机制。首先，靠近集流体区域的导电剂含量越高，越有利于电子传输路径的丰富化，从而最小化电子传输阻力。其次，孔隙率应与锂离子通量匹配，使得隔膜附近较大的孔隙率能显著提升局部离子扩散系数，在存在锂离子通量梯度的情况下提供更多离子传输路径，缓解电解液中的浓度极化现象。第三，隔膜侧采用较小的颗粒有助于提高电化学反应速率，以适应该区域较高的反应通量。而在锂化过程后期，小颗粒又能抑制反应，减少该区域的锂消耗，使更多锂迁移至集流体侧，从而提升大颗粒在集流体侧的反应电流密度，实现电化学反应沿电极深度方向的均匀分布（图3）。
本项研究系统揭示了梯度厚电极中离子/电子传输行为与应力演变的基本规律，并从理论上提出了适用于厚电极的微结构设计准则。这种多梯度微结构设计方法能够有效缓解厚电极在能量密度与功率密度之间的矛盾，同时抑制电极材料的分层破坏，为厚电极的实际应用奠定坚实的理论基础。
论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生牛欣亚，通讯作者为倪勇教授与陆宇阳助理研究员。共同作者还包括中国科学技术大学的何陵辉教授以及北京理工大学的廖湘标教授。本研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。
