余桂华/王焕磊等AM：正负极/电解质的梯度设计实现高比能大功率锂电池！

电荷传输是主导电池性能的一个关键过程，正极、负极和电解质的微观结构在引导电池内部的离子和/或电子传输方面起着核心作用。合理设计沿电荷传输方向具有不同微观结构的电池关键部件，以实现最佳的局部电荷传输动力学，可以补偿反应极化，从而加速电化学反应动力学的发展。

德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华、石溪大学Esther S. Takeuchi、中国海洋大学王焕磊等介绍了电荷传输机制的原理及其对电池性能的决定性作用，然后讨论了电荷传输调节与电池微观结构设计之间的相关性。接着总结了梯度正极、锂金属负极和固态电解质的设计策略。最后提供了梯度设计的未来方向和前景，以实现实际可用的高能量和高功率密度的电池。

图1 正极、锂负极和SSE的梯度设计策略概述

作者总结了专注于调节电荷传输行为以提高能量/功率密度的梯度电池设计。在在多孔电极中，R_ion和R_e需要分别在隔膜/电极和电极/电流间最小化，梯度孔隙结构和梯度电子传导性设计被用来分别调节R_ion和R_e。

梯度活性物质也通过缩短电化学反应过程中的综合离子扩散距离来促进反应动力学的发展。锂宿主的引入为无孔锂金属负极提供了锂扩散途径，复合锂负极中亲锂性和电场的梯度设计通过引导锂离子扩散和成核可抑制”顶部生长”模式和锂枝晶生长。梯度或不对称设计也赋予了固态电解质（SSE）更宽的电化学窗口，更好的界面稳定性，更高的离子传导性和机械强度。

图2 正极中的梯度孔结构设计

尽管对关键电池组件梯度设计的持续研究已经取得了很大进展，但某些科学挑战仍未解决，这需要更基础的研究。

（1）科学研究。基于物理的模型是一种有价值的工具，可以深入了解物理过程，例如反应动力学、电荷传输动力学和超出实验数据范围的结构演化。采用最新理论发展和实验数据集的高级建模对于阐明梯度电池组件的反应动力学至关重要。表征微观结构及其在运行过程中的演变对于了解性能和指导关键部件的先进设计是必不可少的。

图3 锂金属负极的梯度设计

（2）工程优化。迫切需要大质量负载电极来实现500 Wh kg^-1的能量密度目标。对于Li-NMC电池，实现这一目标的最小正极负载为30-40 mg cm^-2。由于缓慢的电荷传输动力学和减弱的机械强度，厚电极需要新的制备技术。需要更广泛的方法来精确控制低弯曲度电极的结构，并且应该仔细评估微观结构和性能之间的相互作用，以便为先进的电池设计提供进一步的指导。对于锂负极，为与30–40 mg cm^-2正极配对，锂金属的量需要减少到≈4 mg cm^-2，对应于75 µm厚（假设N/P比=2）。

为此，锂主体的重量分数需要最小化，在这方面，具有亲锂性和电子导电性双重梯度的轻质碳质主体或聚合物主体在能量密度方面是有利的。同时，厚度减小的锂主体的机械稳健性甚至柔韧性仍然是一项关键需求。另一方面，复合锂的制造工艺需要更具可扩展性和成本效益。此外，除了离子电导率和界面稳定性，决定固态电池反应动力学和能量密度的另一个关键参数是SSE的厚度。理论分析表明，SSE需要20 µm或更薄，才能与当前的聚合物隔膜竞争。设计具有理想梯度和足够机械强度的薄SSE对于实现高能量/功率固态电池至关重要。

图4 对梯度电池设计未来研究的展望

Gradient Design for High-Energy and High-Power Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202780

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