西北工业大学谢科予教授，沈超副研究员，香港理工大学李楠博士ACS Energy Letters：解耦固态电池厚电极离子-电子传输

第一作者：宋阿敏

通讯作者：谢科予*，沈超*，李楠*

单位：西北工业大学，香港理工大学

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，市场对高能量密度、高安全性的电池技术需求日益增长。然而，现有的锂离子电池在能量密度和安全性方面已逐渐接近其理论极限。固态电池（SSBs）因其使用固态电解质替代易燃的液态电解质，展现出更高的安全性和能量密度潜力，成为电池技术研究的热点。尽管如此，固态电池在厚电极设计上面临离子和电子传输效率不匹配的问题，这限制了其在能量和功率密度上的进一步提升。

近日，来自西北工业大学的谢科予教授、沈超副研究员与香港理工大学的李楠博士合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Decoupling Ion-Electron Transport in Thick Solid-State Battery Electrodes”的研究文章。该研究提出了仿生脉管式电极结构，为厚固态电极构筑连续均匀的电子离子传输网络。最优化的电极实现了超高面容量下高倍率的稳定工作，提供超过1600 W kg^-1的功率密度。同时，固态软包电池具有优异的长期循环稳定性，同时实现了超过200 Wh kg^-1的能量密度和687 W kg^-1的功率密度，为固态电池的商业化开辟了一个充满希望的道路。

厚电极设计通过最小化器件层面的非活性组分比，可以显著提高电极活性物质的负载，为提高电池的总体能量密度提供了一个良好的平台。然而，厚电极内部的离子-电子动力学复杂性，尤其是其厚度依赖性，给固态电池的实用化进程带来了挑战。常规湿法工艺制备的电极材料随机的密堆叠，导致了极其曲折和缓慢的离子纵向传输路径。而单一离子传输优化的电极，例如低迂曲阵列结构，在低倍率条件下能够展现出色的表现。然而，当电池工作在更高的倍率时，电子传导的迟缓成为了限制电荷交换反应的关键因素，进而导致功率密度降低。为了应对这些挑战，必须合理设计电极的内部电路，以确保高效的离子-电子传输。研究团队从生物输运系统汲取灵感，创新性地设计了一种脉管式电极结构。这种结构通过在电极内部模拟生物血管系统，创建了电子静脉与离子动脉的功能共享毛细管，从而实现了离子和电子的高效传输。

通过实验分析与理论模拟的结合，研究团队深入探究了微观结构与离子/电子扩散动力学之间的相互作用，并在此基础上解耦了复合电极中电子与离子的传输过程。同时，建立了一个多因素相关的厚电极设计标准，这一标准不仅考虑了电极的微观结构，还考虑了动态传输的特性。

优化后的脉管式电极在超高面容量和高倍率下展现出卓越的稳定性，提供了超过1600 W kg^-1的功率密度。此外，固态软包电池展示了其长期循环的稳定性，实现了超过200 Wh kg^-1的能量密度和687 W kg^-1的功率密度。

此外，采用这种新型厚电极的固态袋式电池在热安全性能和机械耐受性方面也表现出色。更重要的是，通过双极堆叠技术，电池的电压和体积能量密度得到了显著提升，为固态电池的商业化应用奠定了坚实的基础。

Decoupling Ion-Electron Transport in Thick Solid-State Battery Electrodes

谢科予，西北工业大学材料学院，教授/博导，国家级青年人才，英国皇家化学会会士；现任陕西省锂电池正极材料校企联合研究中心副主任、陕西省石墨烯联合实验室副主任、西北工业大学材料前沿交叉中心主任；长期从事高性能化学电源及其关键材料研究，研究成果先后发表在Nature Communications，Advanced Materials，Energy &Environmental Science，Angewandte Chemie International Edition等高水平期刊。

沈超，西北工业大学材料学院，副研究员/博导。目前担任陕西省锂电池正极材料工程技术中心副主任，获陕西省秦创原长续航新能源车用锂电池高镍正极材料“科学家+工程师”团队项目资助，从事锂/钠离子电池关键电极材料及新型储能电池技术开发。承担多项纵向电极材料基础研究与横向特种电池开发项目，迄今为止已发表SCI论文60余篇，授权发明专利20余项。指导学生获iCAN、互联网+、挑战杯及创新创业等多项国家级大赛奖项。

宋阿敏，西北工业大学博士生，主要研究方向为固态电池，涉及固体电解质和硅基阳极的设计，以及电池安全。