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增厚電極是增加活性物質(zhì)含量以獲得高能量和低成本的鋰離子電池的有效方法之一，但電荷傳輸?shù)南拗坪途薮蟮臋C(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致性能不佳和最終的電池失效。

密蘇里科學(xué)技術(shù)大學(xué)Jonghyun Park等報(bào)道了一種新的電極制備工藝，稱為μ-casting，可使超厚電極能夠解決比容量和面積/體積容量之間的權(quán)衡問題。

圖1 電極制備過程

在這種方法中，引入了3D圖案化的刮刀，通過流延成型制備超厚的3D結(jié)構(gòu)化電極，摒棄了傳統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)的復(fù)雜且耗時(shí)的工藝來創(chuàng)建3D幾何形狀。在此過程中，首先使用傳統(tǒng)的刮刀制作平面底座，然后使用帶圖案的3D刮刀進(jìn)行擬議的μ-casting，以從平面底座形成3D圖案幾何形狀。所提出的μ-casting結(jié)構(gòu)電極具有四個(gè)重要的電池性能優(yōu)勢(shì)：

1）通過形成短擴(kuò)散路徑（SDP）提高了活性材料的利用率，這減少了負(fù)極顆粒和正極顆粒之間的距離，并通過增強(qiáng)電子和離子的傳輸來實(shí)現(xiàn)更高的功率性能；

2）超厚電極的啟用，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)制造的電極高五倍的質(zhì)量負(fù)載，允許高比容量和面積容量而不妥協(xié)；

3）3D結(jié)構(gòu)化負(fù)極和正極之間足夠的結(jié)構(gòu)完整性，以在LIB組件之間形成一個(gè)相互連接的設(shè)計(jì)；

4）與目前制備三維電極結(jié)構(gòu)的技術(shù)相比，制造成本低，加工非常簡單。

圖2 所得電極的SEM圖像

在這項(xiàng)工作中，可以成功制備超厚NMC-811(LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂)正極和中碳微珠(MCMB)負(fù)極（≈280 μm厚和35.73 mg cm^-2）。盡管電極的質(zhì)量比通常的扣式電池電極高2.5倍以上，但3D結(jié)構(gòu)的NMC-811電池在比容量和面積容量方面都顯示出非常好的性能（159.4 mAh g^-1和3.51 mAh cm^-2），并具有良好的循環(huán)壽命。對(duì)于高質(zhì)量的3D電極（傳統(tǒng)電極質(zhì)量的5-6倍），其比容量只減少了11%，面容量提高了32.5%。

這些結(jié)果表明，與傳統(tǒng)電極相比，μ-casting結(jié)構(gòu)電極的效率更高，并且具有更高的鋰離子傳輸能力，這為制備具有優(yōu)良電化學(xué)性能的超厚電極提供了一種新的可能性。

圖3 電化學(xué)性能

Enabling Ultrathick Electrodes via a Microcasting Process for High Energy and Power Density Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201353

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