在研究电极结构设计时，必须考虑三个要求：高电极负载、轧制后的结构完整性和规模化潜力。基于这些考虑，通过电极材料的尺寸效应直接实现双层结构更为方便。

由于目前几乎没有完整的商业流程来设计厚电极的内部结构，本文展示了一种详细的设计过程，用于设计具有最小化电极浓差极化的粒子尺寸双层结构电极。研究人员准备了不同粒径的LiNi0.83Mn0.12Co0.05O2（NMC83）材料的双层涂覆，其中集流体（底层）一侧由低迂曲度的大颗粒（11.3 μm）组成，而靠近电极表面（顶层）的一侧由高迂曲度的小颗粒（4.5 μm）组成。这种电极结构促进了电解液从电极顶部到底部的快速扩散。结合快速电解液扩散通道，利用不同尺寸颗粒的固有反应速度，有效地缓解了固有的浓差极化。此外，多层涂覆技术、电极孔隙率效应、层厚控制等已得到全面研究，用于制备高质量的电极。合理地，研究人员设计的双层结构即使在极低孔隙率（<35%）下也展现出卓越的倍率性能。研究人员坚信，具有减少阴极浓差极化的高负载电极对于实现快速充电和缓解续航里程焦虑具有革命性意义。

图1：不同设计的电极结构及其电解液渗透模拟。a–c) 具有三种不同排列的电极结构示意图：L-S (a)，S-L (b)，和 Mix (c)。d) 不同电极结构达到最大出口体积分数1%的时间：S-L，Mix 和 L-S。e) 在电极湿润达到稳态后，三种不同电极结构的电解液、电极和空气分布：S-L，Mix 和 L-S。f) 在电池静置期间，通过每10小时收集一次的 L-S，Mix 和 S-L 的电化学阻抗谱（EIS）数据。

图2：双层结构电极的制造及其倍率性能。a,b) 小颗粒 (a) 和大颗粒 (b) 的形状。c–e) 不同负载下三种电极结构的横截面图像：L-Dry-S (c)，S-Dry-L (d)，和 Mix-Dry-Mix (e)。相应的电极负载约为29.6 mg cm−2。f,g) 不同负载下 NMC 83 电极（L-Dry-S，S-Dry-L，Mix-Dry-Mix）的倍率性能，包括 22 mg cm−2 (f) 和 29.6 mg cm−2 (g)。(1C = 210 mA g−1)。

图3：双层结构电极制造技术的探究。a,b) L-Dry-S 电极 (a) 和 L-S 电极 (b) 的横截面图像。相应的电极负载约为29.6 mg cm−2。c,d) 不同负载下 S-L 电极的倍率性能，包括 22 mg cm−2 (c) 和 29.6 mg cm−2 (d)。e,f) 涂层工艺的示意图，包括案例 I (e) 和案例 II (f)。g,h) 案例 I (g) 和案例 II (h) 中区域 i，ii，和 iii 的 L-Dry-S 电极的横截面图像。比例尺为 100 μm。

图4：双层结构电极孔隙率的探究。a) 传统电极和 L-Dry-S 电极的日历化过程示意图。b) 不同孔隙率 (45%，35%，和 25%) 的 NMC83 的横截面图像，相应的电极结构为 L-Dry-S。c,d) 在不同孔隙率和负载条件下 L-Dry-S，S-Dry-L，和 Mix-Dry-Mix 电极的倍率性能，负载为 22 mg cm−2 (c) 和 29.6 mg cm−2 (d)。

图5：双层结构电极最佳厚度比筛选。a–c) 不同 L/S 厚度比的 L-Dry-S 电极的横截面图像，包括 3:7 (a)，5:5 (b)，和 7:3 (c)。相应的电极负载约为29.6 mg cm−2。d) 不同 L/S 厚度比的 NMC83 电极 (L-Dry-S) 的倍率性能。e) 不同 L/S 厚度比的 L-Dry-S 电极的模拟模型。f) 达到最大出口体积分数1%的时间，五种不同 L/S 厚度比的 L-Dry-S 电极。g) L/S 厚度比为 7:3 时 L-Dry-S 电极中电解液渗透过程。h) 负载为 24.6 mg cm−2 的 NMC 83 电极 (L:S = 1:1 和 L:S = 0:1) 的循环性能。(1C = 210 mA g−1)。i) 在 0.5C 倍率下，石墨||NCM811全电池在 2.7–4.3 V 之间 200 个循环期间的典型充放电曲线，L:S = 1:1 和 L:S = 0:1。

图6. L-Dry-S电极缓解浓度极化的机制

总之，研究人员开发了一种具有快速电解液扩散通道的双层结构电极，有效解决了商业高负载电极的极化问题。采用L-Dry-S电极结构的高负载电极在25%孔隙率下，即使在1C的高倍率条件下，也展现出73.3%（150.0 mAh g−1）的容量保持率，优于传统的Mix电极。此外，研究人员还探讨了双层结构电极设计的原理，包括涂覆协议、孔隙率调整和不同层的厚度优化。值得注意的是，最小化阴极锂离子浓差极化的设计也可以应用于其他电池材料，如磷酸铁锂、硅和石墨。这项研究有望在工业领域产生实际影响，旨在缓解消费者对电池充电时间的担忧。

使用两种不同尺寸的LiNi0.83Mn0.12Co0.05O2（NMC83）材料来构建双层结构电极。底层由大颗粒（11.3 μm）组成，顶层由小颗粒（4.5 μm）组成。在涂覆第一层（大颗粒层）之后，进行干燥处理（80 ℃，12小时），然后涂覆第二层（小颗粒层）。这种干燥过程有助于形成清晰的两层结构。通过日历化过程调整电极的孔隙率，以优化电极的电子导电性和锂离子扩散性能。日历化过程中，电极的厚度减小，孔隙率降低。

【引用本文】Chen W., Wang K., Li Y., et al. Minimize the Electrode Concentration Polarization for High-Power Lithium Batteries. Adv Funct Mater. 2024;2410926. DOI: 10.1002/adfm.202410926.