有序大孔电池电极材料在高充放电倍率下的局限性

为电池电极添加孔隙被认为普遍有助于提供容纳体积膨胀的空间、使电解质接触所有活性材料、帮助改善较厚电极糟糕的 C 倍率性能，并允许用其他材料填充。有序多孔电极，如具有大孔性的反蛋白石，已成为一种模型体系：无粘结剂与导电添加剂、电学互连、具有随厚度定义的孔隙率与孔径、良好电解质润湿性，以及在正常倍率下半电池与锂电池细胞中令人惊讶的良好电极性能。我们表明本征电子电导率十分重要，且在快倍率下本征电导率最终抑制电极材料中的任何电荷存储。利用在 flooded 锂电池三电极电池中反蛋白石 V2O5 的模型体系(其锂电化学已被充分理解)，我们表明在超过 10 C 时电极几乎不能存储电荷，但在降至 < 1C 后完全恢复。我们利用 X 射线衍射、拉曼散射与电子显微镜展示 IO 材料在锂化过程中的变化，且材料在更高倍率下发生极少或没有反应。我们还用计时电流法考察倍率行为，并将高倍率性能与完全容量抑制的局限性联系到 IO 网络的本征面外电导率。数据显示，即便具有纳米尺度尺寸、功能性孔隙与完全材料互连的理想化电极，当导电性较差(即便完全被电解质浸润)时，其高倍率性能也受到根本限制。尽管添加所谓功能性尺寸缩减、孔隙率等对某些材料有用，但这些潜在益处显然并非对锂离子电池高倍率电极普遍有用。