記者從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊與合作者合作，開發了一種無聚合物-粘結劑的漿液制備石墨負極的路線，可以普適地在石墨負極中構建一種新型粒徑-孔隙度雙梯度結構，大幅度提升了鋰離子電池的快充性能。相關成果日前發表在國際期刊《科學進展》上。

 

       電動汽車的快速充電能力受限于鋰離子電池中石墨負極高的濃差極化效應和低的平衡電位，其在較高的充電倍率下，容易誘發金屬鋰沉積和枝晶生長，導致電池性能衰減并出現安全問題。多孔石墨顆粒、石墨負極界面改性以及定向排列石墨顆粒等策略一直用以改善石墨負極的快充性能。然而，這些石墨負極的設計策略往往以犧牲所制備電池的能量密度為代價來提升快充性能。如何克服鋰離子電池的高能量密度與快速充電性能之間的矛盾仍然是一個挑戰性的問題。

       研究團隊首先采用顆粒級尺度的理論模型，采用迭代設計方法仿真對石墨負極電極結構進行優化。同時對顆粒大小和電極孔隙度的雙重分布進行了優化，模擬計算結果表明，雙梯度分布電極相對于傳統的隨機電極以及單梯度電極，電極內部電解液中鋰離子濃度分布更為平滑，從而表現出更小的濃差極化以及更高的活性材料利用率，展現出優異的快充性能。研究人員進一步開發了一種低粘度無聚合物粘結劑漿料自組裝技術，制備銅納米線和銅顆粒包覆石墨低粘度乙醇漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，在石墨負極中成功構建出模擬計算優化的雙梯度結構，基于該石墨負極所制備的鋰離子全電池展現出與實驗模型相同的優異快充性能。

 

       這項研究提出了在不犧牲鋰離子電池能量密度的前提下，在石墨負極內部引入顆粒尺寸以及孔隙率的梯度異質分布結構設計，實現了石墨負極快充性能提升。（中國科大供圖）