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鋰離子電池因其高能量和功率密度，以及它們的安全性和耐用性而特別受到青睞。盡管LIBs的許多進(jìn)步都集中在新材料的整合上，但提高電池性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素是電極的結(jié)構(gòu)。增加電極厚度是增加能量存儲(chǔ)的一個(gè)重要策略，它允許在給定面積上裝載更多的活性材料。然而，增加電極厚度帶來了顯著的挑戰(zhàn)，如離子擴(kuò)散路徑更長、電子傳輸減少和循環(huán)過程中內(nèi)部應(yīng)力增加，所有這些都可能損害電池的功率性能和機(jī)械穩(wěn)定性。最近的努力已經(jīng)集中在解決加厚電極的挑戰(zhàn)上，但結(jié)果并不如預(yù)期的成功。例如，一個(gè)600微米厚的混合正極，結(jié)合了NMC-811（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）和固態(tài)電解質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)中只有30%由活性材料組成，未能實(shí)現(xiàn)長循環(huán)壽命。另一種方法涉及通過使用樹膠粘結(jié)劑和單壁碳納米管（SWCNTs）的冷凍干燥方法創(chuàng)建的500微米厚的電極，顯示出了511mg /cm2的高質(zhì)量負(fù)載和79.3mAh/cm2的面積容量。然而，這種設(shè)計(jì)在僅僅一個(gè)循環(huán)后嚴(yán)重退化，并最終在15個(gè)循環(huán)后失敗。克服這些限制的一個(gè)策略是使用三維電極幾何結(jié)構(gòu)。這些三維結(jié)構(gòu)為離子提供了短擴(kuò)散路徑（SDPs），其特征是直接的、不曲折的路徑，促進(jìn)了更快的離子傳輸，并增加了負(fù)極和正極之間的界面面積，增強(qiáng)了電化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)。通過采用具有SDP特性的三維幾何結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)出活性材料含量增加的同時(shí)保持卓越電池性能的更厚的電極。已經(jīng)探索了各種技術(shù)來創(chuàng)建SDP電極，從微觀層面關(guān)注顆粒形狀和孔隙結(jié)構(gòu)，到宏觀層面解決局部孔隙率的均勻性。然而，在實(shí)施這些三維結(jié)構(gòu)電極方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于制造方法。傳統(tǒng)的澆鑄方法在生產(chǎn)具有高材料負(fù)載的厚電極時(shí)面臨限制。? ?
密蘇里科技大學(xué)Jonghyun Park團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種稱為微電場（μ-EF）過程的新方法，其中在μ-casting過程中集成了電場（EF）。這種技術(shù)結(jié)合了圖譜化刮刀和在鑄造過程中應(yīng)用高壓來控制活性材料顆粒的排列。μ-EF過程通過排列顆粒來增強(qiáng)離子傳輸，創(chuàng)建低曲折度和SDPs。由于改善的顆粒排列，Li+離子可以在離子擴(kuò)散過程中找到更直接的旅行路徑，從而實(shí)現(xiàn)低曲折度。它還確保了均勻的顆粒分布，并最小化了局部孔隙率，有效地減少了不活躍區(qū)域的形成。這些協(xié)同效應(yīng)使得生產(chǎn)700微米厚的電極成為可能，被定義為超厚電極。作者深入研究了μ-EF制造過程，重點(diǎn)關(guān)注μ-EF技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)超厚電極（正極-NMC 622，LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2和負(fù)極-MCMB，MesoCarbon Microbeads）的創(chuàng)建以及其與關(guān)鍵電池性能參數(shù)的關(guān)系，如形態(tài)、孔隙率、導(dǎo)電性、電荷轉(zhuǎn)移特性、阻抗、倍率能力以及循環(huán)性能。特別強(qiáng)調(diào)克服干燥超厚電極時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性的挑戰(zhàn)。此外，還研究了循環(huán)電極中的缺陷形成，并評(píng)估了它們的機(jī)械性能，增強(qiáng)了研究人員對它們的性能和耐用性的理解。μ-EF過程代表了電池技術(shù)的重大突破，使得制造更厚、更高效的電極成為可能，這些電極具有改進(jìn)的能量密度和電荷傳輸能力。這種方法有潛力改變從便攜式電子設(shè)備到電動(dòng)汽車和可再生能源系統(tǒng)的能量儲(chǔ)存應(yīng)用。
該成果以"Hyper-Thick Electrodes for Lithium-Ion Batteries Enabled by Micro-Electric-Field Process"為題發(fā)表在《Advanced Science》期刊，第一作者是Tazdik Patwary Plateau。
