Three-Dimensional, Submicron Porous Electrode with a Density Gradient to Enhance Charge Carrier Transport

电极 材料科学 多孔性 电荷(物理) 多孔介质 纳米技术 光电子学 化学物理 复合材料 化学 量子力学 物理 物理化学
作者
Gayea Hyun,Shengkai Cao,Youngjin Ham,Doo‐Young Youn,Il‐Doo Kim,Xiaodong Chen,Seokwoo Jeon
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 9762-9771 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c03480
摘要

Rapid charging capability is a requisite feature of lithium-ion batteries (LIBs). To overcome the capacity degradation from a steep Li-ion concentration gradient during the fast reaction, electrodes with tailored transport kinetics have been explored by managing the geometries. However, the traditional electrode fabrication process has great challenges in precisely controlling and implementing the desired pore networks and configuration of electrode materials. Herein, we demonstrate a density-graded composite electrode that arises from a three-dimensional current collector in which the porosity gradually decreases to 53.8% along the depth direction. The density-graded electrode effectively reduces energy loss at high charging rates by mitigating polarization. This electrode shows an outstanding capacity of 94.2 mAh g-1 at a fast current density of 59.7 C (20 A g-1), which is much higher than that of an electrode with a nearly constant density gradient (38.0 mAh g-1). Through these in-depth studies on the pore networks and their transport kinetics, we describe the design principle of rational electrode geometries for ultrafast charging LIBs.

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