提升能量密度是鋰電池研究永恒的話題，根據(jù)工信部的要求2020年要實(shí)現(xiàn)鋰離子電池單體比能量300Wh/kg的目標(biāo)，鋰離子電池比能量的提升離不開(kāi)材料技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)工藝的提升。

提升涂布量是提升鋰離子電池能量密度的有效方式，但是隨著涂布量的上升，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)鋰離子的電性能，特別是倍率性能和循環(huán)性能出現(xiàn)了顯著的下降，這主要是因?yàn)殇囯x子電池的電極主要是由顆粒組成的多孔結(jié)構(gòu)，其中的孔隙復(fù)雜、迂曲度高，會(huì)顯著增加Li+在其中擴(kuò)散的阻力。因此，如何在提升涂布量的同時(shí)，減少電極孔隙的迂曲度，提升Li+在其中的擴(kuò)散速度是超厚電極在生產(chǎn)中必須解決的一個(gè)問(wèn)題。

對(duì)于解決超厚電極涂布的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的俞書宏團(tuán)隊(duì)與斯坦福大學(xué)的崔屹教授給出了自己的答案。研究者們受到自然界樹(shù)木的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種具有垂直導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的超厚的LCO正極，這種結(jié)構(gòu)能夠降低電極的孔隙的迂曲度，降低Li+在電極內(nèi)的擴(kuò)散阻力，從而在高負(fù)載量的情況下也能夠保證電池的循環(huán)性能和倍率性能。在該技術(shù)的幫助下，LCO的涂布量最大可達(dá)22.7mAh/g(相當(dāng)于160mg/cm2左右)，是傳統(tǒng)工藝的4-5倍，對(duì)于提升鋰離子電池的比能量具有重要的意義。

為了獲得仿生結(jié)構(gòu)LCO電極，俞書宏團(tuán)隊(duì)以樟子松為模版，首先將樟子松切割成厚度為1.5mm的薄片，然后利用氨水溶解法將木材導(dǎo)管中的木質(zhì)素溶解掉，獲得均勻的多孔模板(如下圖b所示)，然后將由LiNO3、Co(NO3)2·6H2O制備的LCO前驅(qū)體溶膠在真空環(huán)境下浸入到模板的導(dǎo)管內(nèi)，并進(jìn)行干燥形成LCO前驅(qū)體凝膠，最后在空氣環(huán)境中700℃燒結(jié)2h，一方面使得LCO結(jié)晶化，另一方面將木質(zhì)模板移除，從下圖g可以看到，在煅燒后LCO電極保留了垂直方向上的多孔結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提升LCO電極的負(fù)載量，俞書宏團(tuán)隊(duì)還將上述LCO前驅(qū)體溶膠浸入過(guò)程重復(fù)了一遍(LCO-2電極)，將單位面積的負(fù)載量提升了將近一倍。

為了分析上述的制備過(guò)程對(duì)于電極孔隙率和迂曲度的影響，俞書宏團(tuán)隊(duì)利用CT掃描技術(shù)對(duì)電極進(jìn)行了結(jié)構(gòu)重建，其中圖a為普通的LCO電極，圖b為一次LCO浸入一次的LCO-1電極，圖c為L(zhǎng)CO浸入2次的LCO-2電極。從圖中可以看到普通的LCO電極是由LCO顆粒隨機(jī)堆積，因此電極的孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，孔隙的迂曲度比較高(1.5左右)，影響鋰離子的擴(kuò)散速度。而采用模板法制備的LCO-1和LCO-2具有垂直結(jié)構(gòu)的孔隙，因此電極的孔隙率較高，迂曲度較低(接近1)，有利于Li+快速擴(kuò)散，提升超厚電極倍率性能。

為了驗(yàn)證垂直導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的LCO電極的電化學(xué)性能，俞書宏團(tuán)隊(duì)利用上述電極制備了扣式電池測(cè)試了電化學(xué)性能，下圖a為0.05C充電到4.25V后，不同倍率放電的測(cè)試結(jié)果，從結(jié)果來(lái)看，傳統(tǒng)工藝的LCO電極隨著倍率的提高，性能迅速下降(這里傳統(tǒng)工藝制備的LCO電極容量發(fā)揮僅為100mAh/g左右，遠(yuǎn)低于正常LCO材料，由于沒(méi)有詳細(xì)信息小編無(wú)法判斷具體原因)，而采用垂直導(dǎo)管設(shè)計(jì)的LCO-1、LCO-2電極的倍率性能要明顯好于對(duì)照組。圖b為一次LCO漿料浸入的LCO-1電極和2次LCO漿料浸入的LCO-2電極在不同倍率下的單位面積的容量，可以看到雖然LCO-2電池涂布量明顯增加(LCO-2在0.05C下的負(fù)載量為24.5mAh/cm2，LCO-1的負(fù)載量為13.3mAh/cm2)，孔隙率降低，但是由于垂直導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)降低了孔隙的迂曲度，因此大大改善了電極的倍率性能，幾乎在所有的倍率下LCO-2的負(fù)載量都為L(zhǎng)CO-1的兩倍左右，表明垂直導(dǎo)管結(jié)構(gòu)能夠很好的改善高涂布量電極的倍率性能。

快速充電性能也是動(dòng)力電池追求的一個(gè)重要目標(biāo)，下圖為采用傳統(tǒng)工藝制備Control LCO電極和具有垂直導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的LCO-1電極的不同倍率充電性能，從圖a上來(lái)看相比于傳統(tǒng)工藝制備的LCO電極，LCO-1電極在充電過(guò)程中的極化很小，容量更高，在不同的充電倍率下LCO-1電極的容量均顯著高于傳統(tǒng)工藝制備的LCO電極。

俞書宏團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)LCO電極在提升電極單位面積負(fù)載量方面取得了重要的進(jìn)展，在高比能鋰離子電池開(kāi)發(fā)方面具有重要的意義。但是我們也注意到了一些問(wèn)題，作為對(duì)照組的傳統(tǒng)工藝LCO電極不但倍率性能極差，容量發(fā)揮也極低，這一點(diǎn)在文中沒(méi)有得到很好的解釋。其次，相比于對(duì)照組，雖然仿生結(jié)構(gòu)的LCO電極在倍率性能上得到了很大的改善，但是在1C倍率下其容量?jī)H為0.05C容量的50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前的商用鋰離子電池。總的來(lái)說(shuō)，俞書宏團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)LCO電極對(duì)于改善超厚電極的電化學(xué)性能具有重要意義，但是這一技術(shù)仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化，包括制備工藝和電極的電化學(xué)性能，以提升其實(shí)用性。