具有快速充電能力的高能量密度鋰離子電池（LIB）是便攜式電子產品和電動汽車的理想選擇。考慮傳統嵌入式材料有限的能量和功率密度，使用高容量合金型的Si、Sn、或P基陽極能夠減少電極的體積和重量，從而提高整個電池的能量密度。然而，當達到相當高的面容量(>3.5 mAh cm^-2）時，倍率性能會下降，因為厚電極中傳質距離和阻抗增加。

當前，很多研究來制備具有導電物種的納米合金型材料及其復合材料，縮短電荷傳輸距離，提高粒子級電導率。然而，在電極水平上，這些納米結構陽極的快速充電能力仍然受到電荷轉移緩慢的嚴重困擾，這是由于納米顆粒的隨機堆積和低填充密度導致的高彎曲度和大的實際厚度。

因此，采用具有快速電荷轉移能力的大容量電極材料，合理設計具有空間效率的電極，是實現高面積容量LIB快速充電的關鍵。

近日，華中科技大學孫永明教授和美國阿貢國家實驗室陸俊教授等人在Advanced Materials上發表最新成果，Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries，設計了單層粒子電極來實現鋰離子電池的快充。

在這里，作者報告了單層厚顆粒電極設計，其中活性物質紅磷嵌入垂直對齊的石墨烯的納米通道中（記為，紅P/VAG）。這種電極設計解決了由隨機堆疊活性粒子組成的傳統電極結構的高曲率和內部顆粒/電極電阻引起的緩慢電荷轉移。

石墨烯的垂直離子傳輸納米通道和電子傳輸導電納米壁限制了電荷傳遞的方向，使傳輸距離最小化，紅P/VAG復合緩沖層中納米通道的不完全填充會局部改變體積，從而避免了循環過程中電極厚度的變化。紅磷具有高比容量(2576 mAh g^-1)，因此這種設計能夠兼顧能量密度和倍率性能。

單層塊狀顆粒電極表現出很高的面積容量（5.6 mAh cm^-2），這是報告的快充電池中最高的。搭配高負載的LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）陰極，組成的軟包電池表現出穩定的循環，具有高能量密度（405 Wh kg^-1，1040 Wh L^-1）和高功率密度（6 C為1224 W kg^-1和3137 W L^-1，30 mA cm^-2）。

這種具有內部垂直電荷傳輸路徑的單層厚顆粒電極設計可以擴展到其他先進的電池系統，并促進具有快充能力和高能量密度的LIB的發展。

圖1. 常規粒子電極的示意圖，由隨機堆疊的具有高彎曲度的活性粒子和具有低彎曲度的內部納米通道的單層塊狀粒子電極組成

圖2. 紅P/VAG復合材料的合成及表征

圖3. 紅P/VAG與石墨和鈦酸鋰負極的電化學性能對比，以及電解液中和電極中鋰離子濃度的模擬

圖4. 紅P/VAG在全電池中的電化學性能

圖5. NCM622|單層紅P/VAG組成的軟包電池的性能

Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries. Advanced Materials, 2022, 2202892.

https://doi.org/10.1002/adma.202202892