科创中国

锂离子电池的快速充电能力直接影响其在3C电子产品和电动汽车等领域的应用。电池的快充能力与电极结构密切相关。常规的电极由随机堆叠的活性颗粒组成，其内部孔结构随机无序，需要降低电极载量和厚度来缩短锂离子在电极中的传输距离，从而提升电极的快充性能。然而，这大大降低了活性物质在电极整体中的占比（活性材料/（活性材料+非活性材料）），牺牲了电池的整体能量密度。因此，亟需实现在保持电极高面容量的情况下，提高电池的快充性能，从而满足3C电子产品和电动交通工具对能量密度和快充性能的综合需求。本成果提出了一种由大尺度单层颗粒组成的电极结构，该电极具有垂直于集流体的载流子传输通道，能够解决高载量电极所面临离子传输速率慢的问题。将红P负载到具有垂直排列纳米通道（~ 22 nm）的大块石墨烯基颗粒中（红P/VAG，~60 μm），设计了由大尺度单层红P/VAG颗粒组成的电极。所设计的电极能够同时实现锂离子电池的快速充电和高的能量密度，具有非常广阔的应用前景和巨大的商业价值。

（1）该电极在面容量高达5.6 mAh cm-2（商业石墨快充极片2倍）时，能够使电池10分钟快充至50%以上容量。（2）由于适度高于商业石墨的工作电位，该负极在快充条件下可以避免具有安全危害性的锂枝晶的生成。（3）该电极与商业正极组装的软包电池具有优异的循环性能和高的能量密度（405 Wh kg-1），超过商业石墨基快充电池的能量密度。（4）电池进行10分钟快速充电其能量密度可达204 Wh kg-1。

将这项电极结构的创新应用于3C电子产品和电动交通工具领域具有以下潜在优势和应用前景：1、电动交通工具（电动汽车和电动自行车）：快速充电：这项技术可以显著提高电动汽车电池的快速充电能力，减少充电时间，增加电动汽车的使用便捷性和吸引力。高能量密度：保持高能量密度的同时，电池能够更好地应对电动汽车的驾驶范围需求，延长单次充电所能提供的里程。长寿命：电池快充性能的提升还有助于延长电池的寿命，减少更换电池的成本。2、3C电子产品（手机、平板电脑、笔记本电脑等）：更快的充电速度：用户可以更快地充满电子设备，提高了设备的使用体验和便携性。长时间续航：通过提高能量密度，电子设备的电池能够提供更长的使用时间，减少频繁充电的需求。高性能：这项技术还可以改善电子设备的性能，因为高速充电有助于设备更高的功率输出。总之，将这项电极结构的创新应用于3C电子产品和电动交通工具有望改善用户体验、提高产品性能，同时也有望推动绿色可持续能源的采用。这对于满足不断增长的市场需求和环境保护具有积极的影响。

孙永明，博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池等）等方向的科学研究，在新型储能材料与技术相关领域取得了一系列重要进展，在知名国际期刊发表通讯作者或第一作者论文40+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（1）、Advanced Materials （4）、Science Bulletin （1）、 Journal of the American Chemical Society（1）、Angewandte Chemie （1）、Advanced Functional Materials（3）、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Chem（1）、Nano Letters（5）、ACS Nano（2）、Advanced Energy Materials（2）、Energy

本项目提出了一种由大尺度单层颗粒组成的电极结构，该电极具有垂直于集流体的载流子传输通道，能够解决高载量电极所面临离子传输速率慢的问题，同时实现锂离子电池的快速充电和高的能量密度。基于相关研究成果，申请了多项发明专利，如硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用、一种碱金属复合电极材料、其制备和应用、一种正极预锂化材料的制备方法、产物及应用，在生产和科研中起到了重要作用，意义重大。后续将进行继续研发并与企业合作，实现落地转化，该技术先进，与同类产品相比，竞争优势明显，预计取得的经济收益和社会效益将十分可观。

后续拟与3C电子产品和电动交通工具等领域的企业合作，通过技术转让、技术许可、作价入股、合作开发、技术服务等多种方式，推动“用于快充锂离子电池的大尺度单层颗粒电极设计”成果的落地转化，实现产业化应用。