电池电极的绝对容量与倍率性能之间的量化权衡

高性能的电池需要具有高的能量密度和功率密度。为了同时达到这些性能，需要制备绝对容量(以面积容量为代表，Q/A表示)大、倍率性能优异的电极。面积容量的重要性体现在，它不仅决定了电池的容量，还对整个电池的能量密度有着重要的影响。由于电极的面积容量随厚度而变化，所以通过增加电极厚度能够很容易实现面积容量的增加。因此，增加电极所占电池体积的比例能够提升能量密度。由于面积容量由公式Q/A=LE  Q/V (LE是电极厚度，Q/V是测量的体积容量)，所以面积容量的最大化需要结合具有高容量的材料以及厚的电极。然而，厚的电极往往展现出较低的倍率性能，因此在高的绝对容量和高的倍率性能之间存在明显的权衡关系。目前还没有关于哪些参数与容量和倍率性能同时获得最大化相关的定量分析，所以有必要去定量分析和理解绝对容量和倍率性能之间的关系。可以通过调整参数（本征性质参数：如电极电导率；外部影响参数：如电极和隔膜厚度）以同时获得容量和倍率性能的最大化，从而提高电极性能。

日前，都柏林圣三一学院Jonathan N. Coleman课题组在前期工作的基础上发展了一种半经验的模型，将模型与数据拟合，可以得到两个拟合参数，即: 量化绝对容量——低倍率下面积容量QA和量化倍率性能——与充放电相关的特征时间τ。这些参数描述了电池电路上的面积容量和倍率性能的结合（见：Nat. Commun. 2019, 10, 1933）。近日，该课题组利用该半经验的模型来分析一些不同材料不同电极厚度的电极容量对倍率性能的关系。研究结果表明，QA和τ之间存在明显的相关性：所有数据的位置都接近主曲线（近似由常数τ/QA定义）。通过简单的物理模型来验证τ与QA之间的关系，发现模拟结果与实验数据相一致。该模型表明，通过增加电极的体积容量、电导率和孔隙率，对于高面积容量的电极，可以改善其容量-倍率之间的权衡关系。另一方面，固态扩散和反应动力学只对低的面积容量电极起作用。这种理论和实验的结合使我们能够量化这些影响τ与QA的物理参数，并可以通过仔细选择本征和外在影响参数来实现性能优化。

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