Nature Energy：多孔电流收集器设计，实现倍率的高性能电池！

一、 【科学背景】   

电动汽车的广泛应用和电动飞机的实现依赖于高能量密度的锂离子电池(LIBs)。最新的高能量密度(>250 Wh kg^-1)锂离子电池由富镍层状氧化物阴极和石墨阳极组成。虽然通过使用厚电极，电动汽车已经实现超过300英里的续航里程，但充电时间过长仍然是一个亟待解决的难题。实现极快充电可以加速电动汽车的普及并消除“里程焦虑”障碍，极快充电要求15分钟以内内实现从0%达到80%的充电状态（SOC）。其中，扩散的限制是影响电池倍率性能的一个关键因素。多孔电极内Li⁺有效通路的长度随着面积载荷的增加而增加，这具有至关重要的作用。目前，减薄电极是提高速率能力的主要手段，但这会降低电池的能量密度。此外，电解质工程加速离子传导、热调控增强Li⁺输运、减少扭曲以缩短电极中的路径长度等方法，也可以增强电池中的Li⁺输运。然而，这些策略在电化学和/或热稳定性和能量密度方面需要权衡。如何在保持高能量密度的同时实现极快充电，一直是电池领域面临的挑战。

二、【创新成果】

近日，来自斯坦福大学的崔屹等研究者在Nature Energy发表了题为“Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design”的论文，该项研究设计了一个25µm薄和多孔的电流收集器(PCC)，可以使Li⁺同时通过电流收集器和分离器调，用于高性能电池。

图1 PCC的主要设计理念及其性能  ©2024 Springer Nature

图2 传统的电流收集器TCC和PCC多层袋状电池的电化学性能 ©2024 Springer Nature

图3 使用DPS检测在快速充电过程中发生的析锂 ©2024 Springer Nature

作者设计了一种可以实现高能量密集和极快充电电池的多孔集流器。这种多孔设计允许Li⁺离子同时通过电流收集器和分离器，从而将有效Li⁺传输距离减少一半，将扩散限制倍率能力（DLC）提高四倍的同时不影响能量密度。配备这种电流收集器的多层袋状电池表现出高比能(276 Wh kg^-1)和显著的快速充电能力，在4 C (充电15分钟)、6 C (充电10分钟)和10 C (充电6分钟)下，PCC袋式电池的SOC容量分别为78.3% (TCC为62.3%)、70.5% (TCC为33.4%)和54.3% (TCC为13.8%)。这种多孔集流器设计与现有的电池制造工艺以及其他快速充电策略兼容，丰富了商业化电池设计。.

 三、【科学启迪】

本项研究将PCC概念化为高能和快速充电电池，这种设计允许Li⁺离子同时通过PCC和分离器，在不影响电极厚度的情况下将有效Li⁺传输路径长度减少一半。因此，高能电池的DLC能力可以提高四倍。该PCC由三层、分层和多孔聚合物基体组成，两侧有Cu和Al涂层。实验结果表明，配备该PCC的多层袋状电池具有显着的倍率能力:4 C(充电15分钟，从0到78.3% SOC)， 6 C(充电10分钟，从0到70.5% SOC)和10 C(充电6分钟，从0到54.3% SOC)，同时保持3 mAh cm^-2的高面负载和约276 Wh kg^-1的比能量。此外，这种PCC设计对高达5 C的锂析出具有更高的耐受性，增强了锂离子电池在快速充电下的可逆性和安全性。与TCC设计相比，PCC提供的优势可以丰富电池配置，并可能对下一代储能设备的快速充电能力产生广泛影响。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01473-2