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倫敦大學(xué)學(xué)院EES：提高鋰離子電池放電倍率性能的多尺度微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車電池的快速放電能力不僅影響電動(dòng)汽車的加速和爬坡性能，而且影響復(fù)雜駕駛循環(huán)下的可行駛里程。了解多尺度下的復(fù)雜物理和化學(xué)過程對(duì)于協(xié)助電極的戰(zhàn)略設(shè)計(jì)以提高倍率性能至關(guān)重要。

圖1. 放電倍率性能對(duì)NMC粒子表面形態(tài)的依賴性

在此，倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）Paul R Shearing, Xuekun Lu等人將富鎳NMC正極的放電倍率性能與電極結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，從單粒子水平的晶體取向、表面形態(tài)和裂紋，到影響電極水平的固態(tài)和液態(tài)傳輸（SST和LST）優(yōu)勢(shì)的因素。

研究表明初級(jí)粒子的隨機(jī)取向會(huì)導(dǎo)致SST電阻在5C下增加2.35倍，并導(dǎo)致粒子內(nèi)不均勻的鋰化，內(nèi)部裂紋顯著限制了活性材料的可及性。雙層顆粒被證明是比單晶顆粒更有希望的候選者。

圖2. LST和SST在決定電池放電倍率性能方面的競(jìng)爭(zhēng)分析

在電極水平，作者首次量化了SST優(yōu)勢(shì)深度以指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)調(diào)控，并為各種結(jié)構(gòu)的電極提出了合理的工作窗口。電池前端反應(yīng)穿梭于電極深度以減輕極化，這可以為電池管理開發(fā)提供有價(jià)值的見解。

最后，通過比較單晶和多晶NMC811電極的性能，表明電極厚度和孔隙率對(duì)于提高單晶電極放電倍率性能更為關(guān)鍵，而多晶電極則相反，其中梯度粒子占比和尺寸分布相對(duì)更重要。

圖3. 實(shí)驗(yàn)和建模綜合比較單晶和多晶NMC811電極的放電倍率性能

Multi-length scale microstructural design of lithium-ion battery electrodes for improved discharge rate performance, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01388B

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