记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队与合作者合作，开发了一种无聚合物-粘结剂的浆液制备石墨负极的路线，可以普适地在石墨负极中构建一种新型粒径-孔隙度双梯度结构，大幅度提升了锂离子电池的快充性能。相关成果日前发表在国际期刊《科学进展》上。
电动汽车的快速充电能力受限于锂离子电池中石墨负极高的浓差极化效应和低的平衡电位，其在较高的充电倍率下，容易诱发金属锂沉积和枝晶生长，导致电池性能衰减并出现安全问题。多孔石墨颗粒、石墨负极界面改性以及定向排列石墨颗粒等策略一直用以改善石墨负极的快充性能。然而，这些石墨负极的设计策略往往以牺牲所制备电池的能量密度为代价来提升快充性能。如何克服锂离子电池的高能量密度与快速充电性能之间的矛盾仍然是一个挑战性的问题。
研究团队首先采用颗粒级尺度的理论模型，采用迭代设计方法仿真对石墨负极电极结构进行优化。同时对颗粒大小和电极孔隙度的双重分布进行了优化，模拟计算结果表明，双梯度分布电极相对于传统的随机电极以及单梯度电极，电极内部电解液中锂离子浓度分布更为平滑，从而表现出更小的浓差极化以及更高的活性材料利用率，展现出优异的快充性能。研究人员进一步开发了一种低粘度无聚合物粘结剂浆料自组装技术，制备铜纳米线和铜颗粒包覆石墨低粘度乙醇浆料，利用不同尺寸颗粒石墨在浆料中沉降速度差异性，在石墨负极中成功构建出模拟计算优化的双梯度结构，基于该石墨负极所制备的锂离子全电池展现出与实验模型相同的优异快充性能。
这项研究提出了在不牺牲锂离子电池能量密度的前提下，在石墨负极内部引入颗粒尺寸以及孔隙率的梯度异质分布结构设计，实现了石墨负极快充性能提升。
（中国科大供图）
