伦敦大学学院EES：提高锂离子电池放电倍率性能的多尺度微观结构设计

汽车电池的快速放电能力不仅影响电动汽车的加速和爬坡性能，而且影响复杂驾驶循环下的可行驶里程。了解多尺度下的复杂物理和化学过程对于协助电极的战略设计以提高倍率性能至关重要。

图1. 放电倍率性能对NMC粒子表面形态的依赖性

在此，伦敦大学学院（UCL）Paul R Shearing, Xuekun Lu等人将富镍NMC正极的放电倍率性能与电极结构相关联，从单粒子水平的晶体取向、表面形态和裂纹，到影响电极水平的固态和液态传输（SST和LST）优势的因素。

研究表明初级粒子的随机取向会导致SST电阻在5C下增加2.35倍，并导致粒子内不均匀的锂化，内部裂纹显著限制了活性材料的可及性。双层颗粒被证明是比单晶颗粒更有希望的候选者。

图2. LST和SST在决定电池放电倍率性能方面的竞争分析

在电极水平，作者首次量化了SST优势深度以指导微结构调控，并为各种结构的电极提出了合理的工作窗口。电池前端反应穿梭于电极深度以减轻极化，这可以为电池管理开发提供有价值的见解。

最后，通过比较单晶和多晶NMC811电极的性能，表明电极厚度和孔隙率对于提高单晶电极放电倍率性能更为关键，而多晶电极则相反，其中梯度粒子占比和尺寸分布相对更重要。

图3. 实验和建模综合比较单晶和多晶NMC811电极的放电倍率性能

Multi-length scale microstructural design of lithium-ion battery electrodes for improved discharge rate performance, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01388B

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