JMCA：用于快速充电锂离子电池的梯度多孔电极

一、设计和制备带孔隙率梯度的三层石墨电极

常见的快充电池通常使用负载量低、厚度薄、孔隙率高的电极。而高能量密度的电池通常使用负载量高、厚度大、孔隙率低的电极。因此，通常的电极片很难兼顾快充性能和高能量密度。我们通过计算，设计了一种新的具有孔隙率梯度的石墨电极。从电极表面到底层靠近集流器，电极涂层的孔隙率逐渐降低。底层孔隙率低保持高的能量密度；表层高孔隙率实现快充性能。从而得到了一种快充性能与高能量密度兼备的石墨负极。采用正常的涂层、辊压极片生产过程，我们制备了一个具有孔隙率梯度的三层石墨电极。

二、三层梯度石墨负极的优势

从电池性能测试中可以看出，具有孔隙率梯度结构的石墨电极在快充条件下有着比普通电极更高的容量和明显更长的循环寿命。在4C 倍率以下，三层石墨电极显示出稳定的充电曲线。然而，在2C倍率的时候，均一结构的石墨点极的放电曲线就开始不稳定曲线。这说明，在高倍率充电条件下下，三层石墨电极的孔隙率梯度结构能有效的抑制锂枝晶的产生。三层石墨电极更高的库伦效率和SEM-EDS也印证了这个结果：“死”锂更少，容量损失更低。

三、模拟结果

为了更好的理解和解释实验结果。我们利用COMSOL Multiphysics软件对具有孔隙率梯度的三层和均一孔隙率的石墨电极进行了模拟。从结果中可以得出三层石墨负极具有更快的离子传输速率和更低的离子梯度，尤其是在电极表面，从而提高的石墨利用率和容量。高传输速率使得锂离子能顺利从电极表面扩散到底层，不在电极表面过度堆积，从而避免了锂枝晶的生成。

四、前瞻

实现高能量密度电池的快充性能极具挑战性。我们首次提出孔隙率梯度的概念，并展示了它在高倍率下厚电极片里抑制锂枝晶的效果。如何优化层数和各层具体的参数，例如厚度、孔隙率、材料种类等参数都是需要进行更多的研究。