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( 二 )

电极结构对体积能量密度的影响
积能量密度主要取决于阴极孔隙率、阴极厚度、活性物质负载量和阴极中的分数。
中U、CCell、mcell和qC活性物质分别表示电池的平均工作电压(V)、电池的面积容量(mAh cm-2)、阴极活性材料的比容量(C活性物质， mAh g-1)和单面C活性物质的面积质量负载(g cm-2) 。阴极、阳极和其他(铜/铝箔和隔膜)的体积分别是阴极、阳极和隔膜的体积(cm3) 。

本文插图
图. 体积能量密度与负载、组分、阴极孔隙率的关系。
解析：
与重量能量密度相比，体积能量密度与活性物质负载、活性物质分数和阴极孔隙率的反应不同。由于NMC阴极的高密度和低孔隙率，当NMC含量大于70wt%时， Li-NMC电池的可获得的体积能量密度很容易达到800Wh·L-1 。与重量能量密度相比，锂硫电池的体积能量密度对硫负载的敏感性较低。要达到800Wh·L-1 ，需要8 mg cm-2/60wt% S分数/50%孔隙率的目标。然而，从电子/离子传输和电极稳定性两方面考虑，过高的S负载量都不利于体积能量密度。今后的研究重点应放在开发高硫含量、低孔隙率的高性能硫阴极上。合理的硫阴极结构设计，防止中、高硫负载下的容量损失和压降，是充分利用厚电极的关键。值得注意的是，能量密度模拟是基于低N/P比2和贫电解质的情况。因此，在实际的锂硫电池中，对硫含量和阴极孔隙率的要求更加严格。
电极结构对功率密度的影响

本文插图
图. 多孔复合电极中的耦合电化学过程，包括离子传输和电子传导。电荷转移电阻(RCT)和离子传输电阻(Rion)与电极厚度的关系。以Super P、CNT和石墨烯(GN)为导电填料的NMC电极的复合电极电导率与碳含量的关系图。
解析：
能量密度和功率密度是储能材料最基本的参数。然而，活性物质和电子/离子传输网络之间的重量和空间竞争对确保高能量/功率输出提出了巨大的挑战。高能量密度需要高活性物质分数，而高功率密度要求复合电极中电子/离子传输网络的体积较大。这些要求不能同时满足，需要权衡。一个有希望的解决方案是合理设计低弯曲度的多孔电极。低弯曲度的多孔结构即使在孔隙率较小的情况下也提供了有效的离子传输通道，这可以在复合电极中提供更高的活性物质组分。采用低渗流阈值的电子传输网络是在不牺牲传输动力学的前提下提高活性物质含量的另一种策略。
厚电极的电化学
由于厚电极的结构对电池的整体性能起着至关重要的作用，表征电荷传输网络的特性和跟踪活性物质在循环过程中的反应性对于加深对有趣的电池科学的理解和开发更具可预测性的系统方法至关重要。然而，由于复合电极的不均匀性质，通过在电极内多个区域采样的常规成像技术既不可靠也不有效地描述电极结构，因此很难令人信服地将其与电化学性能关联起来。先进的成像技术，如三维拉曼成像，已经作为一种无损的方法被用来揭示充电运输系统中各种组件的三维空间分布。