Nature Energy：多孔電流收集器設計，實現倍率的高性能電池！

一、 【科學背景】 ??

電動汽車的廣泛應用和電動飛機的實現依賴于高能量密度的鋰離子電池(LIBs)。最新的高能量密度(>250 Wh kg^-1)鋰離子電池由富鎳層狀氧化物陰極和石墨陽極組成。雖然通過使用厚電極，電動汽車已經實現超過300英里的續航里程，但充電時間過長仍然是一個亟待解決的難題。實現極快充電可以加速電動汽車的普及并消除“里程焦慮”障礙，極快充電要求15分鐘以內內實現從0%達到80%的充電狀態（SOC）。其中，擴散的限制是影響電池倍率性能的一個關鍵因素。多孔電極內Li⁺有效通路的長度隨著面積載荷的增加而增加，這具有至關重要的作用。目前，減薄電極是提高速率能力的主要手段，但這會降低電池的能量密度。此外，電解質工程加速離子傳導、熱調控增強Li⁺輸運、減少扭曲以縮短電極中的路徑長度等方法，也可以增強電池中的Li⁺輸運。然而，這些策略在電化學和/或熱穩定性和能量密度方面需要權衡。如何在保持高能量密度的同時實現極快充電，一直是電池領域面臨的挑戰。

二、【創新成果】

近日，來自斯坦福大學的崔屹等研究者在Nature Energy發表了題為“Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design”的論文，該項研究設計了一個25μm薄和多孔的電流收集器(PCC)，可以使Li⁺同時通過電流收集器和分離器調，用于高性能電池。

圖1 PCC的主要設計理念及其性能? ?2024 Springer Nature

圖2 傳統的電流收集器TCC和PCC多層袋狀電池的電化學性能 ?2024 Springer Nature

圖3 使用DPS檢測在快速充電過程中發生的析鋰 ?2024 Springer Nature

作者設計了一種可以實現高能量密集和極快充電電池的多孔集流器。這種多孔設計允許Li⁺離子同時通過電流收集器和分離器，從而將有效Li⁺傳輸距離減少一半，將擴散限制倍率能力（DLC）提高四倍的同時不影響能量密度。配備這種電流收集器的多層袋狀電池表現出高比能(276 Wh kg^-1)和顯著的快速充電能力，在4 C (充電15分鐘)、6 C (充電10分鐘)和10 C (充電6分鐘)下，PCC袋式電池的SOC容量分別為78.3% (TCC為62.3%)、70.5% (TCC為33.4%)和54.3% (TCC為13.8%)。這種多孔集流器設計與現有的電池制造工藝以及其他快速充電策略兼容，豐富了商業化電池設計。.

?三、【科學啟迪】

本項研究將PCC概念化為高能和快速充電電池，這種設計允許Li⁺離子同時通過PCC和分離器，在不影響電極厚度的情況下將有效Li⁺傳輸路徑長度減少一半。因此，高能電池的DLC能力可以提高四倍。該PCC由三層、分層和多孔聚合物基體組成，兩側有Cu和Al涂層。實驗結果表明，配備該PCC的多層袋狀電池具有顯著的倍率能力:4 C(充電15分鐘，從0到78.3% SOC)， 6 C(充電10分鐘，從0到70.5% SOC)和10 C(充電6分鐘，從0到54.3% SOC)，同時保持3 mAh cm^-2的高面負載和約276 Wh kg^-1的比能量。此外，這種PCC設計對高達5 C的鋰析出具有更高的耐受性，增強了鋰離子電池在快速充電下的可逆性和安全性。與TCC設計相比，PCC提供的優勢可以豐富電池配置，并可能對下一代儲能設備的快速充電能力產生廣泛影響。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01473-2