文章背景
目前虽然可以通过使用厚电极实现电动汽车超过300英里的续航里程，但充电时间长的问题仍然是一个重大挑战。因此，极快的充电已成为最受欢迎的电池性能之一，从而消除“里程焦虑”。然而，这要求电池在小于15分钟的时间内从0%达到80%的充电状态（SOC）。研究表明，扩散限制是阻碍电池倍率性能的一个关键因素。多孔电极内有效Li+通路的长度起着关键作用，并且随着面积负载的增加而增加。目前研究工作者已经提出了若干策略来解决扩散问题。减薄电极是提高倍率能力的主要手段，但它以降低电池的能量密度为代价。此外，如加速离子传导的电解质设计、增强Li+传输的热调制、缩短电极中路径长度的曲折度减少等均已被用于促进电池中的Li+传输。然而，这些策略在电化学或热稳定性以及能量密度方面需要取舍。因此，实现高倍率性能的高能电池仍然是一个巨大的挑战。
内容简介
在此项工作中，作者概念化了一种用于高能和快充电池的多孔集流体。这种多孔设计允许Li+离子同时通过集流体和隔膜，从而将有效的Li+传输距离减少一半，并使受扩散限制的倍率能力提高四倍，而不影响能量密度。配备该集流体的多层软包电池表现出较高的比能量（276 Wh kg-1）和突出的快速充电能力（4 C（充电15分钟，从0到78.3% SOC），6 C（充电10分钟，从0到70.5% SOC）和10 C（充电6分钟，从0到54.3% SOC））。这种多孔集流体设计与现有的电池制造工艺和其他快速充电策略兼容，丰富了下一代电池的设计。相关研究成果以“Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design”为题发表在国际知名期刊Nature Energy上。Yusheng Ye、Rong Xu为共同第一作者。美国斯坦福大学崔屹教授为通讯作者。
主要内容
图1 电池中PCC的设计原理（PCC:多孔集流体;TCC:传统集流体）。a，b，具有TCC（a）和PCC（b）的多层软包电池。在TCC的情况下，电极之间的Li+传输仅限于通过隔膜的一侧（由a中的长箭头表示）。在PCC情况下，Li+传输同时发生在两侧，通过PCC和隔膜（由a中的短箭头表示）。放大图为PCC的示意图，PCC由夹层、多孔和多级聚合物基体组成，表面涂有两种类型的金属。c，TCC和PCC电池中DLC（扩散限制的倍率）的概念比较。使用PCC可使有效Li+传输路径长度减半，使电池受扩散限制的倍率能力翻两番。
图2 使用TCC和PCC对电池进行数值模拟。a，具有TCC和PCC的多层软包电池配置。b，两个电池中电极的锂浓度图，充电到4.2 V的截止电压。c，d，不同充电电压（2.5、3.8和4.2 V）下TCC壳（c）和PCC壳（d）中锂浓度沿电极厚度方向的分布。e，TCC和PCC电池在4 C下的充电曲线，总充电时间控制在15 min。f，不同充电方法下TCC和PCC电池的归一化容量。g，h，在4 C（g）和6 C（h）充电时，隔膜附近负极表面电极电位Ect演化。
图3 PCC的主要设计理念及其性能。a，PCC制造工艺示意图。b–g，SEM图像显示了防弹凯夫拉膜（b，c），PCC基体（d，e）和PCC（f，g）的形貌。h，能量色散X射线光谱显示了金属在PCC厚度方向上的分布。i，集流体电阻随其长度的变化。j，商用隔膜、PCC基体和PCC之间的离子电导率比较。比例尺：5 μm（b）、1 μm（c）、20 μm（d、f、h）和3 μm（e，g）。
图4 具有TCC和PCC的多层软包电池的电化学性能。a，含有TCC和PCC的多层软包电池的倍率性能。b，通过控制整体CC-CV充电时间，比较在1-10 C的倍率范围内充电后软包电池的可用容量。c，d，TCC（c）和PCC（d）软包电池的充放电曲线。电池以不同的倍率充电，并在截止电压为3 V之前以1 C的倍率放电。e，TCC和PCC软包电池在1至10 C的快速充电和快速放电容量比较。f，g，快速充电和快速放电程序下TCC（f）和PCC（g）的软包电池的充放电曲线。
图5 DPS（差压传感）在快速充电过程中检测锂析出。a，在极快充电过程中对多层软包电池进行操作压力测量的示意图。b，c，PCC循环在1-10 C之间循环的NMC/石墨多层软包电池的充放电曲线（b）和压力演化（c）。d，e，电池的dP/dQ曲线以慢速充电，建立PCC（d）和TCC（e）电池的锂析出阈值。轮廓超出阈值，表明已发生锂析出。f，g，PCC（f）和TCC（g）电池在不同充放电倍率下充电的dP/dQ曲线。所有放电程序均设置为1 C，截止电压为3.0 V。为了处理dP/|dQ|数据，在数据分析过程中去除充电和放电后的休息时间。
结论
总之，作者首先构思了用于高能和快充电池的PCC。这种设计允许锂离子同时通过PCC和隔膜，在不影响电极厚度的情况下将有效Li+传输路径长度减少一半。因此，高能电池的DLC能力可以翻两番。该PCC由三层、多级和多孔聚合物基质组成，两侧均有Cu和Al涂层。实验结果表明，配备该PCC的多层软包电池具有出色的倍率能力：4 C（充电15分钟，从0到78.3% SOC），6 C（充电10分钟，从0到70.5% SOC）和10 C（充电6分钟，从0到54.3% SOC），同时在整个电池水平上保持3 mAh cm-2的高面负载和约276 Wh kg-1的比能量。此外，这种PCC设计对高达5 C的锂析出具有更高的耐受性，增强了LIB在快速充电下的可逆性和安全性。与TCC设计相比，PCC提供的优势丰富了电池设计，对下一代储能设备的快速充电能力提供了重要思路。
参考文献
Ye, Y., Xu, R., Huang, W. et al. Quadruple the rate capability of high-energy batteries through a porous current collector design. Nat Energy (2024).
全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01473-2
