不斷髮展的行動式電子裝置以及動力汽車市場對鋰電池的能量密度提出了更高的要求。通常來說，提升能量密度最有效的方法之一就是提高活性物質負載量（即製備厚電極），從而降低集流體等非活性組分佔比。然而，電極厚度增加會導致離子和電子傳輸距離增加，電極極化嚴重，電化學效能大打折扣。目前的厚電極研究工作多聚焦在集流體和塗覆工藝的最佳化上，活性物質負載量的增加是以一定程度犧牲電極電化學效能或體積能量密度為代價實現的。因此，要實現理想的厚電極，必須同時解決電極中離子/電子傳輸以及活性物質堆砌密度的關鍵問題。
基於此，復旦大學高分子科學系盧紅斌課題組與上海科技大學董雷博士合作，從活性物質微觀形貌切入，創新性地提出了“二維多孔片層層組裝”的厚電極構築新策略，極大提升了鋰電池能量密度和倍率效能，其中三元材料基正極面容量可達45 mAh cm-2，相對商用正極提高近十倍。
圖1. 二維多孔片層層組裝示意圖
該項工作的研究要點：
二維多孔片狀正極活性物質的製備提出了多種二維多孔片的通用製備策略，以主流正極材料三元鎳鈷錳為例，利用葡萄糖輔助的方法，合成二維多孔片，與碳管共混後層層組裝成膜，得到自支撐電極片。在該體系中，實現高載量、低孔隙率的同時，片內的孔貫穿整個電極，實現了通暢的離子傳輸，同時，碳管的交織網路保證完善的電子傳導。
圖2. 二維多孔片及層層組裝的電極形貌
鋰離子傳輸動力學模擬利用COMSOL軟體，為二維多孔片和傳統漿料塗覆法所用的微球建立了兩種模型，對電極中的離子傳輸進行了動力學模擬。在相同的電流密度下，對於無序堆砌的顆粒，同樣的鋰離子消耗，1s後觀察到明顯的濃度梯度，5s後迅速惡化。直到500s後濃度梯度才趨於穩定，直到此時，電化學反應消耗的鋰離子與擴散補充的鋰離子才達到平衡。而在二維多孔片中，離子擴散非常順暢，體系在5秒內迅速達到平衡，並保持一個低的、穩定的濃度梯度。同時，因為更小的電極極化，電極的放電平臺也要優於傳統電極。
圖3. 電極中鋰離子傳輸動力學模擬
不隨電極厚度衰減的比容量實現超厚電極的構建，面積負載量最高達320 mg/cm2。隨著負載量的增加，離子傳輸通道始終暢通無阻，活性物質克容量無明顯衰減。最終，在38%的孔隙率下，最高面積容量達45.4 mAh/cm2。
圖4. 厚電極的電化學效能
此外，該研究中提出的二維多孔片的製備方法可拓展到其它金屬氧化物材料，除了主要研究物件三元鎳鈷錳NCM333以外，該工作還成功製備了包括NCM811、鈷酸鋰以及富鋰錳基等正極材料在內的多種二維多孔片狀活性物質。
該成果近日以“Thick electrode with thickness-independent capacity enabled by assembled two-dimensional porous nanosheets”為題發表於雙盲審稿的國際權威期刊Energy Storage Materials（DOI：10.1016/j.ensm.2020.12.034）。論文的共同第一作者是復旦大學高分子科學系碩士生吳天琪和博士生趙則棟，通訊作者是上海科技大學物質科學與技術學院董雷博士和復旦大學高分子科學系盧紅斌教授。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721000015