锂离子电池(LIBs)是电动汽车的主要动力来源，同时在电网储能方面显示出巨大的应用前景。能量密度和功率密度是其至关重要的两个参数，应根据具体的使用情况进行相应的调整和设计。电极微观结构对锂离子电池的电化学性能（包括能量密度和功率密度）起着至关重要的作用，在电极制备过程中可以通过辊压工艺来实现对电极微观结构的调控。对于由特定活性材料、粘结剂和导电添加剂组成的电极，孔隙率和迂曲度是影响离子扩散的两个关键参数；同时，压实密度也影响了电极中的电子传输，这些参数共同决定了在特定测试（应用）条件下电极的体积容量和质量比容量(活性材料利用率)。因此，有效的电极微结构调控将有利于实现高性能的锂离子电池以满足不同应用场景的使用需求。

近日，孙永明教授课题组以一种基于嵌入化学的微米级 Wadsley-Roth 相 TiNb₂O₇ 电极为例，利用压延法制备了具有相同面积质量负载、不同电极参数（孔隙率、压实密度、电极厚度）的电极。通过实验研究和理论建模研究了电化学性能与电极微观结构参数之间的关系，为调控电池能量密度和功率密度提供了一个辊压驱动电极微结构设计调控电池能量密度和功率密度的范例。研究表明，随着孔隙率的降低，离子和电子的扩散距离减小，有利于电极电荷转移和电池倍率性能的提高。然而，孔隙率的降低会使得离子扩散路径变窄并因此增加离子扩散阻力。这些电极微结构的改变将对电极的倍率性能、体积容量以及材料利用率产生影响，并可以基于此对电极性能进行调控。基于此，作者研究了孔隙率、电极压实密度、电极厚度与电极电化学性能的关联性，并为不同应用场景下电极的微结构提供了基本见解。以优化的 TiNb₂O₇ 电极为例（压实密度为~2.5 g cm^-3，载量为单面~8.5 mg cm^-2（双面~17.0 mg cm^-2），活性物质、导电剂、粘结剂质量比为90:7:3），在半电池测试条件下，其在0.2C电流密度下可以提供高达271.3 mAh g^-1（面容量~2 mAh cm^-2）的充电容量；当电流密度增加到3C时，容量保持率可达72.2%。以优化后的 TiNb₂O₇ 电极为负极，商业磷酸铁锂为正极所组装的全电池（扣电）在6C大电流密度下容量保留率高达70.4%。此外，采用优化后的 TiNb₂O₇ 负极所组装的Ah级叠片软包电池可10分钟（6C）充电至满电容量的74.7%。此外，~8 Ah容量的软包电池在0.5C电流密度下循环500次后，容量保持率高达91.1%。

图1.（a）Li₄Ti₅O₁₂、石墨以及TiNb₂O₇的锂化电位及比容量；（b）Li₄Ti₅O₁₂、石墨以及TiNb₂O₇的真密度、理论比容量、体积容量之间的相互比较；（c）电极厚度对Li₄Ti₅O₁₂、石墨和TiNb₂O₇体积容量的影响；（d）10 Ah级LiFePO₄||TiNb₂O₇和LiFePO₄||Li₄Ti₅O₁₂软包电池的体积能量密度。

图2.（a）不同压实密度TiNb₂O₇电极（S1-S5）的截面扫描电镜图像；（b）S1-S5电极的微观结构示意图；（c）S1-S5电极的压实密度、孔隙率和(d)倍率性能的比较。

近日，《Advanced Energy Materials》线上刊发了相关研究成果 A Paradigm of Calendaring-Driven Electrode Microstructure for Balanced Battery Energy Density and Power Density。该研究工作第一完成单位为华中科技大学武汉光电国家研究中心，得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202202544