鋰離子電池作為高壓電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和動(dòng)力墻電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)。

近年來(lái)，大規(guī)模儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展對(duì)鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求：2025年鋰離子電池能量密度將達(dá)到400 Wh·kg-1，2030年達(dá)到500 Wh·kg-1的技術(shù)目標(biāo)。

厚電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不改變電池化學(xué)系統(tǒng)，增加電池每單位體積的活性材料含量，從而厚電極增加電池系統(tǒng)的能量密度。與前兩種方法相比，厚電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有與各種電極材料兼容的優(yōu)點(diǎn)。因此，通過(guò)厚電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高電池的能量密度受到了廣泛的關(guān)注。

 

傳統(tǒng)厚電極的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

建造厚電極可以減少電池設(shè)備級(jí)別的非活性材料含量，增加電池的能量密度，并降低電池成本。然而，傳統(tǒng)厚電極的離子和電子傳輸速度慢，機(jī)械穩(wěn)定性差，導(dǎo)致速率性能和循環(huán)性能差。

 

 

多孔電極中的電荷傳輸有四個(gè)主要步驟：

（1） 鋰離子在電解質(zhì)中的遷移；（2） 接口處的電荷傳輸；（3） 鋰離子在電極體相中的擴(kuò)散；（4） 集電器和電極之間界面處的電荷傳輸。因此，厚電極中的阻抗可以分為相應(yīng)的四個(gè)部分：電子阻抗、電荷傳輸阻抗、電解質(zhì)的體相阻抗和多孔電極中的鋰離子傳輸阻抗。

在薄電極電池中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗是鋰離子電池動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的速率控制步驟，而隨著電極厚度的增加，多孔電極中的鋰離子傳輸阻抗逐漸成為鋰離子電池中動(dòng)力學(xué)行為的速率控制步驟。

 

 

因此，為了同時(shí)提高鋰離子電池的能量密度和功率密度，有必要構(gòu)建具有高效鋰離子傳輸通道和良好電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的高功率厚電極。

目前，構(gòu)建大功率厚電極的主要策略是構(gòu)建具有直通通道的低彎曲度厚電極，以促進(jìn)鋰離子在厚電極中的傳輸，降低濃度極化，并提高電池性能。此外，華中科技大學(xué)謝佳教授還證明，低彎曲度電極可以有效緩解活性材料的降解。

 

 

厚電極的構(gòu)造方法

目前，構(gòu)建厚電極的方法主要集中在：

（1） 使用具有高比表面積的1D碳纖維/碳納米管、2D石墨烯和3D多孔導(dǎo)電框架作為厚電極基底，構(gòu)建3D集電器。通過(guò)3D集電器方法構(gòu)建的厚電極具有良好的電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)；

（2） 模板法，常見(jiàn)的方法包括犧牲模板法（氧化鋁模板）、天然纖維素（木材）、冰模板法等?；谀０宸ㄖ苽涞暮耠姌O具有一定的圖案和直通離子傳輸通道；

 

 

（3） 先進(jìn)的制造技術(shù)，主要包括激光蝕刻和3D打印，制備的極片具有規(guī)則的圖案和垂直于集電體方向的鋰離子傳輸通道；

（4） 低溫?zé)Y(jié)。低溫?zé)Y(jié)處理后，可獲得致密化的極片，降低了電極的孔隙率和厚度，有利于提高厚電極的體積能量密度；

（5） 其他方法，如在電極制備過(guò)程中引入發(fā)泡劑和相轉(zhuǎn)化法。

 

厚電極的研究現(xiàn)狀

為了實(shí)現(xiàn)大功率厚電極的批量制備，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注梯度電極的設(shè)計(jì)和制備。在學(xué)術(shù)界，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)于樹(shù)宏院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的雙梯度電極（孔隙率和材料粒度）可以實(shí)現(xiàn)701 Wh的體積能量密度?對(duì)于石墨電極，以6C的速率。

德克薩斯大學(xué)余桂華教授的團(tuán)隊(duì)還通過(guò)結(jié)合相位反轉(zhuǎn)法和磁模板法設(shè)計(jì)了一種能夠穩(wěn)定循環(huán)的低彎曲度梯度厚電極。在行業(yè)內(nèi)，大多數(shù)企業(yè)采用多層涂覆方法進(jìn)行大功率厚電極的大規(guī)模生產(chǎn)。

 

 

厚電極的研究涉及復(fù)雜的工程和科學(xué)問(wèn)題。首先，它應(yīng)該具有良好的機(jī)械財(cái)產(chǎn)，以適應(yīng)電極疊片、纏繞等工藝。其次，應(yīng)構(gòu)建有效的離子和電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，以加速厚電極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，減少歐姆極化和濃度極化，并提高速率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

將實(shí)驗(yàn)方法與理論模擬相結(jié)合，建立厚電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電化學(xué)性能之間的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，是促進(jìn)厚電極實(shí)際應(yīng)用的重要思路。為了進(jìn)一步提高厚電極電池的循環(huán)性能，可以將預(yù)鋰化技術(shù)與厚電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，以獲得循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高的鋰離子電池。

模板法、激光蝕刻法和3D打印技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)低彎曲度的特征結(jié)構(gòu)，縮短鋰離子傳輸距離，提高速率性能。電子傳輸網(wǎng)絡(luò)在改善鋰離子電池的電化學(xué)性能方面起著重要作用。

 

 

自支撐結(jié)構(gòu)將一維和二維碳材料引入到厚電極中，以有效提高厚電極的電子傳導(dǎo)性。然而，一維和二維碳材料的制備過(guò)程非常復(fù)雜，很難在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大規(guī)模輸出。木材等天然原材料資源豐富，可以降低制造成本，因此具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

厚電極涉及多學(xué)科問(wèn)題，需要具有材料、電化學(xué)、化學(xué)和工程等各種專業(yè)背景的學(xué)者參與，需要科學(xué)界和工業(yè)界的合作、溝通和共同努力。此外，厚電極的設(shè)計(jì)原則是構(gòu)建良好的電荷傳輸網(wǎng)絡(luò)，這一研究思路也可以擴(kuò)展到所有固態(tài)電池、鋰空氣電池系統(tǒng)和鈉離子電池系統(tǒng)。