Tortuosity Engineering for Improved Charge Storage Kinetics in High-Areal-Capacity Battery Electrodes

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作者
Zhengyu Ju,Xiao Zhang,Jingyi Wu,Steven T. King,Chung-Chueh Chang,Shan Yan,Yuan Xue,Kenneth J. Takeuchi,Amy C. Marschilok,Lei Wang,Esther S. Takeuchi,Guihua Yu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (16): 6700-6708 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c02100
摘要

The increasing demands of electronic devices and electric transportation necessitate lithium-ion batteries with simultaneous high energy and power capabilities. However, rate capabilities are often limited in high-loading electrodes due to the lengthy and tortuous ion transport paths with their electrochemical behaviors governed by complicated electrode architectures still elusive. Here, we report the electrode-level tortuosity engineering design enabling improved charge storage kinetics in high-energy electrodes. Both high areal capacity and high-rate capability can be achieved beyond the practical level of mass loadings in electrodes with vertically oriented architectures. The electrochemical properties in electrodes with various architectures were quantitatively investigated through correlating the characteristic time with tortuosity. The lithium-ion transport kinetics regulated by electrode architectures was further studied via combining the three-dimensional electrode architecture visualization and simulation. The tortuosity-controlled charge storage kinetics revealed in this study can be extended to general electrode systems and provide useful design consideration for next-generation high-energy/power batteries.
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