不断发展的便携式电子设备以及动力汽车市场对锂电池的能量密度提出了更高的要求。通常来说，提升能量密度最有效的方法之一就是提高活性物质负载量（即制备厚电极），从而降低集流体等非活性组分占比。然而，电极厚度增加会导致离子和电子传输距离增加，电极极化严重，电化学性能大打折扣。目前的厚电极研究工作多聚焦在集流体和涂覆工艺的优化上，活性物质负载量的增加是以一定程度牺牲电极电化学性能或体积能量密度为代价实现的。因此，要实现理想的厚电极，必须同时解决电极中离子/电子传输以及活性物质堆砌密度的关键问题。基于此，本课题组与上海科技大学董雷博士合作，从活性物质微观形貌切入，创新性地提出了“二维多孔片层层组装”的厚电极构筑新策略，极大提升了锂电池能量密度和倍率性能，其中三元材料基正极面容量可达45 mAh cm-2，相对商用正极提高近十倍。
图1. 二维多孔片层层组装示意图
该项工作的研究要点：
二维多孔片状正极活性物质的制备
提出了多种二维多孔片的通用制备策略，以主流正极材料三元镍钴锰为例，利用葡萄糖辅助的方法，合成二维多孔片，与碳管共混后层层组装成膜，得到自支撑电极片。在该体系中，实现高载量、低孔隙率的同时，片内的孔贯穿整个电极，实现了通畅的离子传输，同时，碳管的交织网络保证完善的电子传导。
图2. 二维多孔片及层层组装的电极形貌
锂离子传输动力学模拟
利用COMSOL软件，为二维多孔片和传统浆料涂覆法所用的微球建立了两种模型，对电极中的离子传输进行了动力学模拟。在相同的电流密度下，对于无序堆砌的颗粒，同样的锂离子消耗，1s后观察到明显的浓度梯度，5s后迅速恶化。直到500s后浓度梯度才趋于稳定，直到此时，电化学反应消耗的锂离子与扩散补充的锂离子才达到平衡。而在二维多孔片中，离子扩散非常顺畅，体系在5秒内迅速达到平衡，并保持一个低的、稳定的浓度梯度。同时，因为更小的电极极化，电极的放电平台也要优于传统电极。
图3. 电极中锂离子传输动力学模拟
不随电极厚度衰减的比容量
实现超厚电极的构建，面积负载量最高达320 mg/cm2。随着负载量的增加，离子传输通道始终畅通无阻，活性物质克容量无明显衰减。最终，在38%的孔隙率下，最高面积容量达45.4 mAh/cm2。
图4. 厚电极的电化学性能
此外，该研究中提出的二维多孔片的制备方法可拓展到其它金属氧化物材料，除了主要研究对象三元镍钴锰NCM333以外，该工作还成功制备了包括NCM811、钴酸锂以及富锂锰基等正极材料在内的多种二维多孔片状活性物质。
该成果近日以“Thick electrode with thickness-independent capacity enabled by assembled two-dimensional porous nanosheets”为题发表于双盲审稿的国际权威期刊Energy Storage Materials（DOI：10.1016/j.ensm.2020.12.034）。论文的共同第一作者是本课题组的硕士生吴天琪和博士生赵则栋，通讯作者是上海科技大学物质科学与技术学院董雷博士和复旦大学高分子科学系卢红斌教授。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721000015
