余桂华Adv.Mater.综述：高性能厚电极的设计-从基础认识到工程化设计

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图. 阴极厚度和阴极活性物质负载对采用96wt%活性物质含量和40%阴极孔隙率的Li-NMC622袋式电池的电池组成比和能量密度的影响。
厚电极设计指南
电极设计对重力能量密度的影响
决定重量能量密度的关键参数有：活性物质负载量、活性物质在阴极中的含量、电解液的量以及正负极面积电容(N/P)比。采用由铜箔、锂阳极、隔膜、电解液、阴极和铝箔组成的简化袋式电池组来计算。
其中U和Ccell分别表示电池的平均工作电压(V)和电池的面积容量(单位为mAh cm-2)；qC活性物质和MC活性物质分别表示阴极活性材料(C活性物质)的比容量(单位为mAh g-1)和单面C活性物质的面积质量负荷(单位为g cm-2) 。 M电池、M阴极、M阴极、M电解质和母体分别是电池、阴极、阳极、电解质和其他(铜/铝箔和隔膜)的面积质量(g cm-2) 。

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图. 重量能量密度与负载量和质量分数、阴极孔隙率的关系。
解析：
高活性物质含量、低孔隙率和相对较高的活性物质负载量是获得500Wh kg-1高重量能量密度的关键。对于Li-NMC和Li-S袋式电池，重量能量密度并不随活性物质负载量的增加而线性增长。在载荷增加到30~40 mg cm-2(NMC)和5~6 mg cm-2(S)之前，重量能量密度随活性物质载荷的增加而显著增加。然后，重力能量密度达到一个平台期，在此阶段，活性物质负荷的进一步增加只会带来能量密度的边际提升。在综合考虑电子和离子导电性后，建议在实际条件下，最佳负载量为30~40 mg cm-2(NMC)和5~6 mg cm-2(S) ，以获得最大的重量能量密度。进一步增加活性物质载荷不会显著提高重力能量密度。
降低阴极孔隙率有利于重量能量密度的提高。然而，连续和充足的孔隙对于离子传输是必要的，特别是在厚电极中。随着孔隙度的减小，离子输运网络的扰动将减弱孔隙度对重力能量密度的影响。 S阴极的低孔隙率也面临着多硫化物溶解和沉积有限的主要挑战。
活性物质分数是决定Li-NMC和Li-S电池重量能量密度的另一个关键参数，因为可获得的能量密度与活性物质分数几乎成正比。虽然NMC阴极可以获得高达98wt%的活性物质含量，但提高S阴极的活性物质含量仍面临许多问题。由于在循环过程中活性物质电导率低，体积变化大，减少导电添加剂和粘结剂的用量会恶化S阴极的电子传输网络，削弱S阴极的结合能力。
因此，未来厚电极设计的发展不能仅仅着眼于增加负载或阴极厚度。在低孔隙率和高活性物质含量下保持稳定和令人满意的电化学性能对于实现目标重量能量密度同样重要。