锂离子电池的快速充电能力直接影响其在3C电子产品和电动汽车等领域的应用。电池的快充能力与电极结构密切相关。常规的电极由随机堆叠的活性颗粒组成，其内部孔结构随机无序（图1，左），需要降低电极载量和厚度来缩短锂离子在电极中的传输距离，从而提升电极的快充性能。然而，这大大降低了活性物质在电极整体中的占比（活性材料/（活性材料+非活性材料）），牺牲了电池的整体能量密度。因此，亟需实现在保持电极高面容量的情况下，提高电池的快充性能，从而满足3C电子产品和电动交通工具对能量密度和快充性能的综合需求。

近日，孙永明教授课题组等提出了一种由大尺度单层颗粒组成的电极结构设计（图1，右），该电极具有垂直于集流体的载流子传输通道，能够解决高载量电极所面临离子传输速率慢的问题。将红P负载到具有垂直排列纳米通道（~ 22 nm）的大块石墨烯基颗粒中（红P/VAG，~60 μm），设计了由单层红P/VAG大尺度颗粒组成的电极。该电极的面容量高达5.6 mAh cm^-2，其比容量和快充性能都远超过商业的石墨或者钛酸锂负极，且它与商业正极组装的软包电池具有优异的循环性能和高的能量密度（405 Wh kg^-1）。当充电10 min时，电池的能量密度可达204 Wh kg^-1。此电极结构能够同时实现锂离子电池的快速充电和高的能量密度，对高性能电极材料和电极结构设计具有指导意义。

图1.常规纳米/亚微颗粒电极（左）和单层活性颗粒电极（右）的示意图。

图2.（a）红P/VAG颗粒的制备示意图；（b, c）VAG颗粒的SEM和TEM图；（d）红P/VAG颗粒的STEM和相应的元素分布图像；（e）VAG和红P/VAG颗粒的氮气吸脱附等温线；（f, g）单层红P/VAG颗粒电极的SEM图；（e）中的插图为VAG和红P/VAG颗粒的孔径分布图。

图3.（a）NCM622||单层红P/VAG软包电池的结构示意图；（b, c）NCM622||单层红P/VAG软包电池在1至40 mA cm^-2的充电电流密度下的倍率性能；（d）当充电时间为30、20、15、12、10和8 min时电池可达到的E_g和E_v；（e）各类电化学储能装置和NCM622||单层红P/VAG软包电池能量和功率密度的拉贡图；（f, g）NCM622||单层红P/VAG软包电池在15 mA cm^-2的充电电流密度下的循环性能（充电时间为20 min）。

5月31日，国际顶级期刊《Advanced Materials》线上刊发了相关研究成果《Single-Layer-Particle Electrode Design for Practical Fast-Charging Lithium-ion Batteries》（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202892）。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。