鋰離子電池驅動的電動汽車是一種滿足綠色出行需求的零排放交通工具。然而，目前電動汽車的充電時間遠長于傳統燃油汽車的加油時間，這使得電動汽車的使用體驗感降低。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。因此，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快充鋰離子電池領域一個挑戰性的問題。
近日，中國科大俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作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。研究團隊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。以雙梯度石墨負極構建的鋰離子全電池在6C的高充電速率下展現出高的能量密度和循環穩定性。相關成果以“Extremely fast charging lithium ion battery enabled by dual gradient structure design”為題發表在國際期刊《科學進展》上（Science Advances2022,8, eabm6624），被英國NewScientist選為研究亮點報道。特任副研盧磊磊與博士后陸宇陽是論文的共同第一作者。
圖1.(A)不同結構石墨負極內部在3.5 mA cm-2充電電流密度下電解液中Li+離子濃度的空間分布；(B)不同結構石墨負極在不同充電電流密度下對石墨顆粒的利用率。
圖2.(A)所制備的雙梯度石墨負極與目前所報道的石墨負極快充性能比較；(B)在6C的高充電倍率下，基于雙梯度石墨負極鋰離子全電池的體積能量密度為701 Wh L−1，高于隨機結構石墨負極鋰離子電池(550 Wh L−1)。
針對目前商業化石墨負極顆粒的非均勻、非各向同性、孔隙大小和形狀不同特性，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，在3.5 mA cm-2大電流密度充電條件下，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Li+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（圖1）。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?；趯嶒炇蚁惹俺墒斓你~納米線規模制備工藝，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。電極中銅納米線的焊接作用實現了石墨電極結構的完整性?；谠撌摌O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（圖2）。
相對于傳統實現鋰離子電池快充的方法，研究團隊提出的雙梯度電極結構設計為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供了新的思路。
該工作受到科技部國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項項目、國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。
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