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鋰離子電池的快速充電能力直接影響其在3C電子產品和電動汽車等領域的應用。電池的快充能力與電極結構密切相關。常規(guī)的電極由隨機堆疊的活性顆粒組成，其內部孔結構隨機無序（圖1，左），需要降低電極載量和厚度來縮短鋰離子在電極中的傳輸距離，從而提升電極的快充性能。然而，這大大降低了活性物質在電極整體中的占比（活性材料/（活性材料+非活性材料）），犧牲了電池的整體能量密度。因此，亟需實現(xiàn)在保持電極高面容量的情況下，提高電池的快充性能，從而滿足3C電子產品和電動交通工具對能量密度和快充性能的綜合需求。

近日，華中科技大學孫永明教授課題組等提出了一種由大尺度單層顆粒組成的電極結構設計（圖1，右），該電極具有垂直于集流體的載流子傳輸通道，能夠解決高載量電極所面臨離子傳輸速率慢的問題。將紅P負載到具有垂直排列納米通道（~ 22 nm）的大塊石墨烯基顆粒中（紅P/VAG，~60 μm），設計了由大尺度單層紅P/VAG顆粒組成的電極。該電極在面容量高達5.6 mAh cm^-2（商業(yè)石墨快充極片2倍）時，能夠使電池10分鐘快充至50%以上容量。由于適度高于商業(yè)石墨的工作電位，該負極在快充條件下可以避免具有安全危害性的鋰枝晶的生成。該電極與商業(yè)正極組裝的軟包電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和高的能量密度（405 Wh kg^-1），超過商業(yè)石墨基快充電池的能量密度。電池進行10 快速充電其能量密度可達204 Wh kg^-1。因此，所設計的電極能夠同時實現(xiàn)鋰離子電池的快速充電和高的能量密度，對高性能電極材料和電極結構設計具有指導意義。

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圖1.常規(guī)納米/亞微顆粒電極（左）和單層活性顆粒電極（右）的示意圖。

圖2.（a）紅P/VAG顆粒的制備示意圖；（b, c）VAG顆粒的SEM和TEM圖；（d）紅P/VAG顆粒的STEM和相應的元素分布圖像；（e）VAG和紅P/VAG顆粒的氮氣吸脫附等溫線；（f, g）單層紅P/VAG顆粒電極的SEM圖；（e）中的插圖為VAG和紅P/VAG顆粒的孔徑分布圖。

圖3.（a）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池的結構示意圖；（b, c） NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在1至40 mA cm^-2的充電電流密度下的倍率性能；（d）當充電時間為30、20、15、12、10和8 min時電池可達到的Eg和Ev；（e）各類電化學儲能裝置和NCM622||單層紅P/VAG軟包電池能量和功率密度的拉貢圖；（f, g）NCM622||單層紅P/VAG軟包電池在15 mA cm^-2的充電電流密度下的循環(huán)性能（充電時間為20 min）。

Advanced Materials于近日在線刊發(fā)了相關研究成果Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries，該研究工作第一完成單位為華中科技大學武漢光電國家研究中心。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202892

參考資料：http://news.hust.edu.cn/info/1002/45161.htm