鋰離子電池多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

高可心，余天瑋，權(quán) 威，常增花，李國(guó)華，王建濤

(1 有研科技集團(tuán)有限公司 國(guó)家動(dòng)力電池創(chuàng)新中心，北京 100088;2 國(guó)聯(lián)汽車(chē)動(dòng)力電池研究院有限責(zé)任公司，北京 100088;3 北京有色金屬研究總院，北京 100088)

鋰離子電池因具有能量密度高、功率密度高、自放電率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于新能源領(lǐng)域[1-2]。隨著鋰離子電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在各類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能電站等新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵丶夹g(shù)提出了更高的要求，尤其對(duì)能量密度、安全性和快速充放電的要求越來(lái)越高[3-4]。同時(shí)，建立在安全和高能量密度的基礎(chǔ)上，電池還需要滿足長(zhǎng)的使用壽命及低成本的要求。然而，目前的電池技術(shù)還無(wú)法滿足鋰離子電池的所有要求[5]。

鋰離子在正負(fù)極之間嵌入脫出的定向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了電池的化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。鋰離子電池主要由正極極片、負(fù)極極片、隔膜和電解液構(gòu)成。電池的整體性能與各個(gè)組成密切相關(guān)[6-7]，電池電極是電池的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)對(duì)電池的電化學(xué)性能和安全性能有重要影響。鋰離子電池電極由活性顆粒、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑按照一定比例與溶劑均勻混合成漿料，涂覆在集流體上，然后通過(guò)干燥輥壓制備而成。而與電極中的活性涂層相接觸的兩個(gè)表面，即活性涂層靠近隔膜處的上表面和活性涂層靠近集流體處的下表面，其穩(wěn)定性和導(dǎo)電性的發(fā)揮對(duì)電池的整體性能起到了重要的作用。對(duì)于上表面來(lái)說(shuō)：隔膜將正負(fù)極片相互隔開(kāi)，鋰離子穿過(guò)隔膜往返于正負(fù)極之間，在負(fù)極一側(cè)，易發(fā)生析鋰現(xiàn)象；在正極一側(cè)，易發(fā)生過(guò)渡金屬的溶出。對(duì)于下表面來(lái)說(shuō)：由于活性物質(zhì)的膨脹，以及黏結(jié)力較差，會(huì)導(dǎo)致集流體與活性涂層發(fā)生分離，從而使電極失去電接觸[8]。因此，通過(guò)對(duì)電極表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以解決上述存在的問(wèn)題成了重要的研究方向。

活性涂層由活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑以及黏結(jié)劑混合形成，內(nèi)部顆粒無(wú)規(guī)則分布，顆粒彼此之間形成的孔隙相互連通[9-11]。宏觀上來(lái)看，鋰離子的傳遞主要發(fā)生在其厚度方向。電極充放電過(guò)程中，電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布各向異性，鋰離子在彎曲的孔結(jié)構(gòu)中遷移受到限制[12]，從而發(fā)生電極極化現(xiàn)象，而在電極工作中鋰離子濃度和電勢(shì)的不均勻分布又不可避免，尤其是在大倍率下，這種電極極化現(xiàn)象會(huì)更加明顯，最終導(dǎo)致電極厚度方向上的活性物質(zhì)無(wú)法充分發(fā)揮容量[13-15]。在高負(fù)載厚電極中，電子傳輸路徑變長(zhǎng)使電子傳遞受到了限制[16]，同時(shí)，嵌脫鋰時(shí)體積效應(yīng)大的活性物質(zhì)還易與集流體間發(fā)生剝離，最終導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。研究者們從正負(fù)極的活性物質(zhì)改性，導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑的篩選等角度出發(fā)，對(duì)電極的組分進(jìn)行了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方法對(duì)電極的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步探究[17-19]。在對(duì)電極結(jié)構(gòu)的模擬和計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，合理的孔隙分布對(duì)電極的性能會(huì)有一定的改善[20]；通過(guò)調(diào)控電極內(nèi)部物質(zhì)的梯度分布，能夠使電勢(shì)分布更加均勻[21]，并增加電池的能量密度。因此，對(duì)電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究也十分重要。

電極結(jié)構(gòu)中，活性涂層表面不穩(wěn)定性，以及內(nèi)部極化現(xiàn)象導(dǎo)致的電極結(jié)構(gòu)整體不穩(wěn)定性，是傳統(tǒng)單層電極結(jié)構(gòu)本身存在的特性。僅通過(guò)從活性材料改性以及調(diào)整涂層單一組分配比，無(wú)法解決電極結(jié)構(gòu)本身存在的問(wèn)題，需要對(duì)電極結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題有針對(duì)地進(jìn)行多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文綜述了目前鋰離子多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展，主要從電極活性涂層表面設(shè)計(jì)和活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)，從活性涂層上下表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)、活性涂層不同分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和活性涂層組分連續(xù)設(shè)計(jì)三種多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行總結(jié)，旨在為解決高負(fù)載電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題提供指導(dǎo)。

1 多層復(fù)合電極表面設(shè)計(jì)

活性涂層與隔膜相接觸的上表面以及活性涂層與集流體相連結(jié)的下表面是電極結(jié)構(gòu)中極其重要的兩個(gè)接觸面?；钚酝繉优c隔膜接觸的上表面是鋰離子在正負(fù)極之間傳遞的重要區(qū)域。正極側(cè)的表面易發(fā)生過(guò)渡金屬溶出現(xiàn)象，而負(fù)極側(cè)的表面易出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，所以與隔膜相接觸的活性涂層上表面的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性對(duì)于鋰離子能否順利在正負(fù)極材料內(nèi)部嵌脫十分重要。集流體在電極中起到承載活性物質(zhì)并且匯集傳輸電子的作用[22]，所以集流體與活性涂層相連的下表面的穩(wěn)定性和導(dǎo)電能力，直接影響著電極的電化學(xué)性能和循環(huán)性能[23]。

1.1 提升電極活性涂層表面穩(wěn)定性

上表面存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在活性物質(zhì)在充放電過(guò)程中發(fā)生的副反應(yīng)。對(duì)于三元正極材料來(lái)講，正極充放電過(guò)程中溶出的過(guò)渡金屬離子會(huì)在電解液中遷移并沉積到負(fù)極界面，過(guò)渡金屬的溶出會(huì)使正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，同時(shí)會(huì)影響負(fù)極活性材料表面的穩(wěn)定性[24]。硅基負(fù)極材料因其較高比容量和環(huán)境優(yōu)化成為新一代負(fù)極的首選材料，但硅基材料因?yàn)槠湓诿撉朵囘^(guò)程中較大的體積效應(yīng)，造成活性涂層的表面結(jié)構(gòu)破壞，從而使電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，電池的容量衰減[25]。下表面的問(wèn)題主要表現(xiàn)在循環(huán)過(guò)程中因活性材料的收縮與膨脹導(dǎo)致電極材料與集流體失去電連接，進(jìn)而導(dǎo)致極化增大、活化物質(zhì)無(wú)法充分有效發(fā)揮、循環(huán)性能惡化等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，當(dāng)前研究策略主要通過(guò)增加集流體與活性涂層間黏結(jié)力、在活性涂層表面添加保護(hù)層等途徑改善電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.1.1 集流體修飾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)單層電極通過(guò)提升電極壓實(shí)密度，增強(qiáng)集流體與活性涂層界面的黏結(jié)力，進(jìn)而提升電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但是壓實(shí)密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙減少，降低活性顆粒與電解液接觸的表面積，阻礙電池容量的發(fā)揮。在極片輥壓過(guò)程中，過(guò)高的輥壓壓力容易造成負(fù)極出現(xiàn)料斑、粘輥和極片柔軟性差等問(wèn)題，以及正極出現(xiàn)脆片、斷片和卷片等現(xiàn)象，導(dǎo)致極片加工性能大幅度下降。Hernandez等[26]報(bào)道了一種集流體表面改性的方法，在電極制備過(guò)程，他們將含酸性黏結(jié)劑的硅電極在潮濕的環(huán)境中先存放數(shù)日進(jìn)行“熟化”，然后烘干電極組裝電池，具體工藝流程如圖1(a)所示。與未熟化的電極相比，經(jīng)過(guò)熟化的電極容量衰減緩慢，電極的彈性模量和硬度分別高出40%和113%。在熟化過(guò)程中，硅顆粒與顆粒間連接處的黏結(jié)劑濃度增加，如圖1(b)所示，加強(qiáng)了硅顆粒之間的黏接性，同時(shí)增加了電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；酸性黏結(jié)劑腐蝕銅箔形成了羧酸銅鍵，在銅箔上形成一層腐蝕層，增強(qiáng)了集流體和活性涂層之間的作用力，有助于提高硅電極的機(jī)械穩(wěn)定性。另外，集流體的多孔化設(shè)計(jì)也是提高集流體與電極材料之間黏結(jié)力的方法之一，如多孔鋁箔的應(yīng)用[27]。這些方案從下表面改性出發(fā)，通過(guò)對(duì)集流體表層直接進(jìn)行多孔設(shè)計(jì)，或者通過(guò)改進(jìn)電極制備工藝間接在集流體表面添加修飾層，增強(qiáng)集流體與活性涂層間黏結(jié)力，來(lái)提升電極結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

圖1 熟化工藝流程[26]

在集流體與活性涂層之間直接添加黏結(jié)劑層能夠明顯增加兩者間的黏結(jié)力，但是過(guò)厚的黏結(jié)層會(huì)增加界面電阻，并且單一的黏結(jié)層無(wú)法緩和集流體與活性涂層之間的應(yīng)力。若將柔性導(dǎo)電物質(zhì)與黏結(jié)劑結(jié)合則能夠在提升電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)減小集流體與活性涂層間的電阻，從而在不增加界面電阻的前提下，提升電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Lee等[28]在銅箔上部涂覆了由石墨烯(graphene,G)和聚偏二氟乙烯(PVDF)復(fù)合組成的5 μm厚的導(dǎo)電黏結(jié)劑層，分別研究了導(dǎo)電黏結(jié)層對(duì)石墨電極和硅碳電極的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電黏結(jié)層能夠增加集流體與活性涂層之間的黏結(jié)力和導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于導(dǎo)電性較好的石墨電極，導(dǎo)電黏結(jié)層的石墨烯含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)即可顯著改善電池性能。而對(duì)于導(dǎo)電性較差的硅碳電極，石墨烯含量為2%或3%時(shí)能夠改善電池的循環(huán)性能。

上述報(bào)道主要從集流體表面進(jìn)行修飾設(shè)計(jì)出發(fā)，增強(qiáng)下表面的黏接穩(wěn)定性。目前提升集流體與活性涂層間黏結(jié)力的方案主要有兩種：(1)通過(guò)在黏結(jié)劑與集流體接觸面進(jìn)行界面修飾，加強(qiáng)活性涂層中黏結(jié)劑與集流體間的化學(xué)作用；(2)通過(guò)在活性涂層與集流體之間引入黏結(jié)層，擴(kuò)大黏結(jié)劑與集流體的接觸面。這兩種電極表面多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不需要通過(guò)增加壓實(shí)來(lái)提升接觸面的穩(wěn)定性，不會(huì)破壞電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是增強(qiáng)下表面穩(wěn)定性的有效方案。

1.1.2 保護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保護(hù)層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從增強(qiáng)活性涂層表面穩(wěn)定性出發(fā)，在活性涂層表面添加保護(hù)層，增加電極結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。保護(hù)層結(jié)構(gòu)在鋰硫體系電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。研究者將硫活性涂層夾在兩個(gè)柔性多孔碳層之間，制備了碳-硫-碳的三明治結(jié)構(gòu)。多孔碳層在降低硫電極電阻的同時(shí)能夠存儲(chǔ)充放電過(guò)程中產(chǎn)生的多硫化鋰，有效地提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)侖效率[29]。還有研究者將硫活性涂層夾在石墨烯層之間，利用兩側(cè)柔性的石墨烯層提升電極整體的導(dǎo)電性，緩和硫鋰化過(guò)程中的體積膨脹[30]。類(lèi)似的夾層設(shè)計(jì)在鋰硫電池體系中已被大量研究報(bào)道[31-32]。在提升電極安全性方面，Imachi等[33]在集流體與LiCoO2活性涂層之間引入了導(dǎo)電性差的LiFePO4(LFP)涂層，設(shè)計(jì)了LiCoO2/LiFePO4/Al雙層正極的鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)，電極結(jié)構(gòu)如圖2所示，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)與其他正極結(jié)構(gòu)(如LiCoO2-LiFePO4混合物/Al單層和LiFePO4/LiCoO2/Al雙層)相比有更好的過(guò)充性能。

圖2 含LiFePO4的不同正極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[33]

硅負(fù)極因充放電過(guò)程中體積變化過(guò)大會(huì)造成電極結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致電極活性涂層與集流體之間電接觸失效，從而造成電池容量衰減[34-35]。針對(duì)該問(wèn)題，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了在電極活性涂層上下表面添加保護(hù)層，以維持電極結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定。

Xia等[36]報(bào)道了在硅納米線活性涂層和集流體之間添加石墨烯層，能夠緩解納米硅鋰化過(guò)程中對(duì)集流體產(chǎn)生的應(yīng)力，增強(qiáng)硅納米線電極結(jié)構(gòu)的循環(huán)穩(wěn)定性。改性電極200周次后的比容量依然保持2000 mAh·g-1，是未改性電極的2.7倍。Xu等[37]在集流體和硅活性涂層之間涂覆了20 μm左右的乙炔炭黑(acetylene black,AB)作為柔性層，制備了一種集流體-乙炔炭黑層-活性涂層的夾層結(jié)構(gòu)。該電極在30周次內(nèi)顯示出了2500 mAh·g-1的高可逆容量，30周次內(nèi)的化學(xué)阻抗譜基本未變，電池電阻約為77 Ω/cm2，電極結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。循環(huán)后涂有柔性層的電極結(jié)構(gòu)的上表面，與沒(méi)有添加涂層的電極相比裂紋更少。引入柔性炭層能緩解集流體與活性涂層界面之間的應(yīng)力，并且提升該界面上電子傳遞能力，與活性材料改性緩和負(fù)極膨脹的方法相比該工藝制備更加簡(jiǎn)潔。

Li等[38]通過(guò)研究非晶硅薄膜電極的裂紋拓展，發(fā)現(xiàn)裂紋在電極厚度方向上零散分布，在薄膜電極中的分布細(xì)微而集中。Ryu等[39]認(rèn)為，在電極循環(huán)過(guò)程中，活性材料的體積效應(yīng)會(huì)破壞電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒之間的電接觸，對(duì)電極外部施加壓力可以將已破壞的電接觸重新建立連接，并且重新發(fā)揮活性物質(zhì)的容量。Yang等[40]在硅碳電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)活性涂層上下表面均采用了保護(hù)層設(shè)計(jì)。他們將硅碳活性涂層夾在兩個(gè)導(dǎo)電炭(super-P carbon black,SP)涂層之間，制備了導(dǎo)電炭涂層/活性涂層/導(dǎo)電炭涂層結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電炭層在活性涂層與集流體兩個(gè)剛性層之間作為柔性層緩和硅膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，避免活性物質(zhì)與集流體發(fā)生剝離，從而提升集流體與活性涂層間的界面穩(wěn)定性；靠近隔膜一側(cè)的導(dǎo)電炭層，在活性涂層頂部施加聚合力，防止電極結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，夾層結(jié)構(gòu)在150 mA/g的電流密度下具有1230 mAh·g-1的高可逆比容量，并且在70周次循環(huán)后仍表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，沒(méi)有明顯的容量衰減，電極結(jié)構(gòu)也比較完整，電極阻抗較小。Huang等[41]在微納SiO/Si復(fù)合材料活性涂層上表面、下表面以及上下表面噴涂了納米炭(carbon black nanoparticle)層，制備了3種含炭保護(hù)層的多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，分別為納米炭層/活性涂層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)、活性涂層/納米炭層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)、納米炭層/活性涂層/納米炭層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察3種復(fù)合電極結(jié)構(gòu)循環(huán)100周次后的截面，將其與沒(méi)有涂覆保護(hù)層的傳統(tǒng)電極相比，發(fā)現(xiàn)集流體和活性涂層之間的界面沒(méi)有發(fā)生分離，電極整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

綜上所述，在活性涂層表面添加保護(hù)層，能夠有效緩解硅基負(fù)極活性涂層在充放電過(guò)程中的表面開(kāi)裂問(wèn)題，能夠容納正極活性涂層表面多余的反應(yīng)物質(zhì)。設(shè)計(jì)保護(hù)層結(jié)構(gòu)，不涉及活性涂層內(nèi)部活性物質(zhì)的改變，是一種有效的表面改性方案；但是過(guò)厚的保護(hù)層會(huì)降低電極負(fù)載，需要在電極容量密度和保護(hù)層厚度之間找到平衡。

1.2 提升電極活性涂層表面導(dǎo)電性

電極結(jié)構(gòu)中構(gòu)建良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能夠提升電池的循環(huán)性能，降低電極電阻能夠提高電極的倍率性能，研究者們通過(guò)對(duì)活性材料表面進(jìn)行包覆[42]或與石墨烯等新型導(dǎo)電材料復(fù)合[43-44]改善活性材料表面導(dǎo)電性；通過(guò)調(diào)節(jié)電極結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電劑的含量或提升導(dǎo)電劑的性能來(lái)增加電極內(nèi)部電子傳遞速度[45-46]，但是電極中集流體與活性涂層之間界面存在的黏結(jié)力偏弱、導(dǎo)電性差等問(wèn)題，限制了電極整體導(dǎo)電性的進(jìn)一步提升。在集流體和活性涂層之間涂覆導(dǎo)電層，能夠提高黏結(jié)強(qiáng)度，增強(qiáng)電接觸，減少電極界面電阻，提升電極導(dǎo)電性。

Huang等[47]在鋰硫電池的常規(guī)鋁箔上面涂覆了石墨烯-碳納米管復(fù)合涂層，復(fù)合涂層的引入增加了集流體和活性層之間的界面黏附力和導(dǎo)電性(如圖3所示)。在電流密度為2 C時(shí)，無(wú)涂層電極的容量?jī)H為20 mAh·g-1，遠(yuǎn)低于含涂層電極的容量(654 mAh·g-1)。Liu等[48]將石墨烯納米片(graphene nanosheets,GNs)、碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)和活性炭(activated carbons,ACs)3種導(dǎo)電劑分別直接涂覆在鋁箔上，研究不同導(dǎo)電涂層對(duì)LFP電極的去極化作用和電化學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電涂層的引入可以減小電極極化，提升電極大倍率下的放電容量。在5 C電流密度下，添加石墨烯涂層的電極放電比容量為122 mAh·g-1，遠(yuǎn)高于未添加導(dǎo)電涂層的電極的放電比容量49.2 mAh·g-1。之后該課題組[49]又研究了不同含量的導(dǎo)電炭黑(SP)在電極中垂直于集流體方向上的不均勻分布對(duì)鋰離子電池正極的電化學(xué)行為的影響。發(fā)現(xiàn)在保持導(dǎo)電劑添加的總含量不變的時(shí)候，通過(guò)增加下層導(dǎo)電劑含量，能夠?yàn)殡娮觽鬏斕峁└嗟穆窂剑貏e是在大電流下，正極活性涂層與集流體之間的界面阻抗顯著下降。Kim等[50]在銅箔上引入石墨烯層，通過(guò)測(cè)試循環(huán)前的電化學(xué)阻抗發(fā)現(xiàn)，銅箔涂覆石墨烯復(fù)合電極的電荷轉(zhuǎn)移阻抗為5.6 Ω，遠(yuǎn)低于無(wú)石墨烯涂層電極的阻抗(38.9 Ω)，大大提高了電極涂層的導(dǎo)電性。Kim等[51]通過(guò)在鋁箔上涂覆不同層數(shù)(0層、1層、3層和5層)的石墨烯，在石墨烯涂層對(duì)電極性能影響的研究中發(fā)現(xiàn)，采用3層石墨烯涂覆的鋁箔與正極活性涂層之間有更好的電接觸，能夠降低電極內(nèi)阻，增強(qiáng)集流體集電子能力，從而改善電極的動(dòng)力學(xué)性能。與未涂覆石墨烯的電極相比，3層石墨烯涂層電極在100周次循環(huán)后充電至4.5 V后靜置的電壓降為0.079 V，低于其他電極的電壓降(0層電壓降為0.227 V，1層電壓降為0.194 V，5層電壓降為0.196 V)。在集流體與活性涂層之間添加石墨烯層能夠增加二者之間導(dǎo)電路徑、減少層間接觸問(wèn)題，降低電極極化，增加電池放電容量，改善電極循環(huán)穩(wěn)定性。

圖3 導(dǎo)電涂層增加界面導(dǎo)電性示意圖[47]

增強(qiáng)下表面的黏結(jié)力，或維持活性涂層表面的穩(wěn)定性，都是為了提升電極結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，保證電極內(nèi)部和電極表面有良好的電接觸。對(duì)于導(dǎo)電性差的活性物質(zhì)，如LFP，在LFP活性涂層表面添加導(dǎo)電涂層，能夠直接減小下表面電阻，增強(qiáng)下表面的導(dǎo)電性，促進(jìn)該界面的電子傳遞，提升電極在大倍率下的導(dǎo)電穩(wěn)定性。以上針對(duì)活性涂層表面的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都是從電極外部出發(fā)，進(jìn)行合理的多層復(fù)合電極設(shè)計(jì)，來(lái)提升電極的循環(huán)性能和倍率性能，但是在活性涂層電極厚度方向上存在的組分不均勻利用、極化等問(wèn)題，還需要從活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)，來(lái)解決活性涂層內(nèi)部存在的問(wèn)題。

2 多層復(fù)合電極內(nèi)部設(shè)計(jì)

鋰離子電池一般通過(guò)勻漿涂布工藝制備電極，活性涂層由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑按照一定比例混合而成[10]。均勻混合的漿料在涂布烘干過(guò)程中存在黏結(jié)劑上浮問(wèn)題，導(dǎo)致黏結(jié)劑在電極結(jié)構(gòu)中分布不均。在電極制備中，增加活性涂層的涂布厚度能夠提高電極的負(fù)載，增加電池的能量密度，但是較厚的電極在充放電的過(guò)程中，有明顯的極化現(xiàn)象。以負(fù)極為例，電池充放電中電極靠近隔膜一側(cè)鋰離子濃度較高，集流體處濃度相對(duì)較低，在大倍率下，鋰離子濃度在厚度方向上的不均勻分布現(xiàn)象會(huì)更加明顯，導(dǎo)致近集流體處的活性物質(zhì)容量發(fā)揮受到限制[15，52]?；钚酝繉咏M分利用不均勻和電極極化是傳統(tǒng)電極在工作中必定存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)則能夠緩解上述問(wèn)題，目前活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有電極厚度方向的組分分層設(shè)計(jì)和組分梯度設(shè)計(jì)兩類(lèi)。

2.1 多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)制備方法

多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一種簡(jiǎn)便高效的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。但是設(shè)計(jì)理念的落實(shí)需要有相匹配的設(shè)備和工藝，特別是將其推廣到工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用中。在多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)研究過(guò)程中，制備工藝也實(shí)現(xiàn)了從不可控到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，小范圍制備再到商業(yè)化應(yīng)用的改變。最初，多層復(fù)合電極通過(guò)漿料多次涂布干燥制備，這種迭代涂布的方法隨著層數(shù)的增加，容易導(dǎo)致循環(huán)過(guò)程中層與層之間的界面開(kāi)裂。為了讓層與層之間結(jié)合得更加緊密，研究者們采取多層同時(shí)涂布方式，圖4(a)，(b)為實(shí)驗(yàn)室常用的多層復(fù)合電極制備方法——霧化噴涂沉積技術(shù)。為了多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)能夠在商業(yè)化中應(yīng)用，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了雙縫涂布技術(shù)并制造了雙縫涂布機(jī)，如圖4(c)所示。雙縫涂布機(jī)的設(shè)計(jì)及制造是多層復(fù)合結(jié)構(gòu)電極從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用的重要一步[53-54]。另外，逐層混合噴射沉積工藝，如圖4(d)所示，通過(guò)控制漿料的流量，可以實(shí)時(shí)制備出電極組分配比不同的漿料，噴涂出電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部組分含量梯度變化的多層復(fù)合電極[55]。

圖4 幾種多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)制備工藝示意圖

2.2 活性涂層分層電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分層電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將活性涂層中的導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑和活性物質(zhì)根據(jù)各自特點(diǎn)在電極中進(jìn)行合理分布，彌補(bǔ)電極結(jié)構(gòu)本身存在的問(wèn)題，提升電池的性能。

不同的導(dǎo)電劑有各自的特點(diǎn)。石墨(KS-6)有助于改善LiCoO2電極的循環(huán)壽命，導(dǎo)電炭黑(SP)能減少LiCoO2電極電阻，提升高倍率下放電容量[57-58]，如果將兩種導(dǎo)電劑組合，理論上可以制備循環(huán)性能與倍率性能兼?zhèn)涞碾姌O。Chen等[54]采用分層電極思路，改變上下層中導(dǎo)電劑的比例，研究了4種正極電極結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)單一的電極配方很難同時(shí)提高功率和能量，但是將不同比例的導(dǎo)電劑分布在極片上下兩層時(shí)，可以同時(shí)提高循環(huán)壽命和倍率性能。因?yàn)槭枯^多的下層有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，大量納米尺寸的炭黑有高的電學(xué)性能。故當(dāng)上層導(dǎo)電炭含量較多，下層石墨顆粒較多時(shí)的雙層正極結(jié)構(gòu)有較好的容量保持率和循環(huán)壽命。

黏結(jié)劑在電極高溫干燥過(guò)程中的向上遷移會(huì)導(dǎo)致活性涂層與集流體之間黏附力減弱[59-60]。Diehm等[61]在保持黏結(jié)劑總含量不變的情況下，將石墨電極分成兩層(靠近集流體處為下層)，改變上下層丁苯膠乳(SBR)黏結(jié)劑的比例(1∶1,1∶2,0∶7.5)，發(fā)現(xiàn)SBR全部集中在下層的電極在3 C倍率下的放電容量與均一結(jié)構(gòu)電極相比提升了11%。Liu等[53]在LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2正極中也設(shè)計(jì)了黏結(jié)劑分層結(jié)構(gòu)。在150 ℃高溫干燥下，黏結(jié)劑上層占比3.5%的電極結(jié)構(gòu)比下層占比4.5%的電極結(jié)構(gòu)在4.2 V截止電壓下的容量發(fā)揮更多(大于140 mAh·g-1)，50周次容量保持率約為93%。

為了充分發(fā)揮活性物質(zhì)的利用率，Huang等[62]報(bào)道了一種根據(jù)活性物質(zhì)顆粒大小分層的多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。他們將活性涂層分為兩層，改變上下層中活性物質(zhì)顆粒的大小，小顆粒(25 nm)N-TiO2(銳鈦礦型TiO2)層放在近隔膜處，大顆粒(200 nm)P-TiO2(多孔TiO2)放在近集流體處，制備了電極內(nèi)部孔隙上密下疏的多層復(fù)合電極。小顆粒分布在電極上層，增加活性顆粒與電解液接觸的表面積，提升電極的體積容量，大顆粒分布在下層，增加電極結(jié)構(gòu)孔隙率，促進(jìn)鋰離子的擴(kuò)散，這種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)電極在0.1 C下循環(huán)100周次的容量保持率為94%。Lee等[63]使用逐層噴涂技術(shù)在Li4Ti5O12電極中層和上層分別噴涂硅材料制備的兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)電極，在300周次循環(huán)后的容量發(fā)揮分別為230 mAh·g-1和220 mAh·g-1，Li4Ti5O12和硅材料隨機(jī)混合的電極容量則低至190 mAh·g-1，硅材料在電極中的合理分布提升了Li4Ti5O12電極的循環(huán)性能。

針對(duì)體積效應(yīng)大的活性材料，可以設(shè)計(jì)多種活性物質(zhì)依次交替的多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。Wu等[64]采用靜電噴涂沉積和熱處理合成工藝，制備了硅-碳/石墨烯復(fù)合的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)電極，制備工藝如圖5所示。該多層復(fù)合電極為硅碳混合層和石墨烯層交替堆疊的“千層”結(jié)構(gòu)。納米硅(Si nanoparticles，SiNPs)分散在由氮摻雜的多壁碳納米管(MWCNTs)和炭黑(carbon black，CB)構(gòu)成的無(wú)定形多孔碳骨架中，避免了納米硅顆粒之間的團(tuán)聚，多孔碳骨架和石墨烯層形成的3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能容納納米硅顆粒的體積膨脹，并促進(jìn)電子遷移。這種多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)有效提升了硅電極的循環(huán)性能，在循環(huán)100周次時(shí)該電極的容量保持率為75%。這種在活性涂層內(nèi)部設(shè)計(jì)的“千層”結(jié)構(gòu)，不需要對(duì)活性材料進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)和改性，便能夠提升硅電極的循環(huán)性能，是提升電池性能的一種簡(jiǎn)便方案。

圖5 硅-碳/石墨烯多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)制備流程及其鋰化/脫鋰過(guò)程中電極結(jié)構(gòu)變化示意圖[64]

在上述報(bào)道中，調(diào)整厚度方向上組分的含量、改變組分的種類(lèi)，均能夠讓電極內(nèi)部的組分充分發(fā)揮各自的作用，對(duì)電池的性能起到提升。在硅基負(fù)極中，若要充分發(fā)揮每種組分的作用，則需要在活性涂層中構(gòu)筑充足的孔隙和堅(jiān)固的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，來(lái)容納活性材料在充放電過(guò)程中的體積變化，確保電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但是這種活性涂層的分層設(shè)計(jì)，存在層與層之間的界面，無(wú)法解決電極厚度方向上的極化問(wèn)題。

2.3 活性涂層組分含量梯度設(shè)計(jì)

活性涂層分層結(jié)構(gòu)電極的涂層與涂層之間存在界面，兩層之間界面的微觀結(jié)構(gòu)差異過(guò)大會(huì)對(duì)電極的性能造成影響，比如電極電阻升高[65]。活性涂層組分含量連續(xù)梯度設(shè)計(jì)可以解決活性涂層分層結(jié)構(gòu)存在的界面問(wèn)題。

Cheng等[66]提出了一種梯度結(jié)構(gòu)的LFP電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用噴涂工藝制備了電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部組分在厚度方向上連續(xù)變化的梯度電極，如圖6(a)所示。在這種結(jié)構(gòu)中活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑不再均勻地分布在電極內(nèi)部，電極組分在厚度方向上呈現(xiàn)出含量梯度分布的結(jié)構(gòu)。LFP梯度電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠減小LFP電極在大倍率充放電時(shí)在電極厚度方向上的極化，因此也減少了循環(huán)過(guò)程中LFP電極的界面副反應(yīng)的發(fā)生，能夠顯著改善LFP電極在大倍率下的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的LFP電極能夠有效地降低電極的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，從而提升LFP電極的倍率性能。CAC@結(jié)構(gòu)的梯度正極在2 C和3 C時(shí)的放電容量分別比均質(zhì)正極提高了15%和38%，AC@結(jié)構(gòu)的梯度正極放電容量比均勻正極分別提高了9%和27%。在梯度正極的基礎(chǔ)上，該課題組[55]將LFP梯度正極與鈦酸鋰(LTO)梯度負(fù)極組成全電池，如圖6(b)所示。在正負(fù)極均為梯度結(jié)構(gòu)的全電池中，電極結(jié)構(gòu)內(nèi)組分含量梯度設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)更加突出，全電池的倍率性能與循環(huán)性能有顯著提升。與傳統(tǒng)全電池相比，AC@結(jié)構(gòu)的全電池倍率為1 C時(shí)的容量發(fā)揮提升了120%，2 C時(shí)提升了1300%；CAC@結(jié)構(gòu)的全電池倍率為1 C時(shí)的容量發(fā)揮提升了97%，2 C容量發(fā)揮提升了570%。AC@結(jié)構(gòu)和CAC@結(jié)構(gòu)的容量衰減率降低到了傳統(tǒng)電極的50%以下。根據(jù)循環(huán)后的XPS分析顯示，梯度電極形成的固體電解質(zhì)界面(solid electrolyte interphase，SEI)膜較少，和梯度電極較小的阻抗吻合，表明梯度電極的根本優(yōu)勢(shì)在于使電極厚度方向上的電勢(shì)分布均勻化，提升電極的動(dòng)力學(xué)性能。根據(jù)該課題組的研究結(jié)果可知，在LFP-LTO電池體系中采用正負(fù)極梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到的全電池性能遠(yuǎn)高于正負(fù)極組分均一的全電池，并且梯度全電池的倍率性能也優(yōu)于梯度正極半電池和梯度負(fù)極半電池。所以將多層復(fù)合梯度電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用于全電池體系，能夠讓組分梯度設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)得以增強(qiáng)。對(duì)比該課題組的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)順梯度AC結(jié)構(gòu)的倍率性能優(yōu)于組分濃度中間集中的CAC結(jié)構(gòu)，但是其循環(huán)性能弱于CAC結(jié)構(gòu)。故關(guān)于活性涂層內(nèi)組分含量在厚度方向上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)一步研究。

圖6 梯度電極示意圖

大電流充放電時(shí)鋰離子擴(kuò)散阻力增加、極化嚴(yán)重，限制了鋰離子電池在高倍率下的容量發(fā)揮。Zhang等[67]從解決反應(yīng)極化、降低電解質(zhì)與活性物質(zhì)間界面和活性涂層與集流體間界面電阻的角度出發(fā)，構(gòu)筑了一種還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)含量漸變的RGO/TiO2(B)復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在活性涂層中從上表面至下表面，RGO含量在TiO2中占比逐漸遞增的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)電極在20 C(6.7 A·g-1)的高充電、放電速率下的放電比容量(128 mAh·g-1)，明顯高于傳統(tǒng)均勻電極(74 mAh·g-1)。這種梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠減少電極極化，增加電極鋰離子擴(kuò)散和電子電導(dǎo)率。

圖7 多層RGO/TiO2(B)結(jié)構(gòu)電極示意圖[67]

綜上所述，活性涂層組分含量梯度設(shè)計(jì)，能夠有效提升LFP和LTO電池的倍率性能和循環(huán)性能。在保持電極內(nèi)部組成總比例不變的情況下，通過(guò)改變電極中局部導(dǎo)電劑的含量，可以改變局部電子電導(dǎo)率，促進(jìn)電極內(nèi)部局部的過(guò)電勢(shì)，提升厚度方向上電極的反應(yīng)速率。改變電極內(nèi)局部電勢(shì)分布，是從電極結(jié)構(gòu)自身特性出發(fā)的一種方式，理論上不受電極體系的限制，可以在各種正負(fù)極匹配體系的鋰離子電池中進(jìn)行推廣。降低電極內(nèi)部孔隙曲折度和增加孔隙率，均可以改善離子遷移率，提高活性物質(zhì)整體利用率，從而提升電池充放電性能，但是針對(duì)孔隙曲折度和孔隙率的設(shè)計(jì)，需要考慮電極內(nèi)部組分粒徑匹配，甚至需要降低電極體積容量。對(duì)比來(lái)看，電極內(nèi)部空間組分漸變的多層復(fù)合電極設(shè)計(jì)是提升電池性能的有效方案。

3 多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則就是根據(jù)不同的活性物質(zhì)的特點(diǎn)和電池性能需求進(jìn)行特定的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)有傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中在增加集流體與活性涂層連接處的強(qiáng)度、添加活性涂層表面保護(hù)層以及在電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入柔性物質(zhì)制備多層結(jié)構(gòu)等方面提出設(shè)計(jì)方案；針對(duì)電極結(jié)構(gòu)在厚度方向上鋰離子嵌脫不均勻?qū)е禄钚晕镔|(zhì)利用不均問(wèn)題，主要從電極的微觀結(jié)構(gòu)著手，通過(guò)調(diào)整活性物質(zhì)粒徑大小和分布位置，改變電極活性涂層內(nèi)組分含量分布等方案來(lái)減小電極極化，充分發(fā)揮電極的容量，改善電池的循環(huán)和倍率性能。圖8總結(jié)了研究者們?cè)陔姌O結(jié)構(gòu)不同位置進(jìn)行的多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

圖8 多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路示意圖

從多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)近幾年的研究來(lái)看(如表1[26,28,40,48,53-55,62,66]所示)，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效解決傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)的固有問(wèn)題，提升電池的循環(huán)性能和倍率性能，能夠應(yīng)用在各類(lèi)電池體系中。但是目前關(guān)于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究處于起步階段，存在很多空白和不足：(1)在同一體系的電極中，目前的研究?jī)H集中在電極結(jié)構(gòu)最突出的問(wèn)題，對(duì)于其他次要問(wèn)題的研究較少。如目前在硅基負(fù)極中，主要研究集中在增強(qiáng)硅基活性涂層上下表面的穩(wěn)定性，對(duì)于電極充放電時(shí)活性涂層內(nèi)組分利用不均，降低電極電阻方面的研究相對(duì)較少；在正極中，大部分研究集中在LFP正極，用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)去解決其他正極結(jié)構(gòu)固有問(wèn)題的研究也相對(duì)較少。(2)在同體系中的研究比較零散，無(wú)法對(duì)不同復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。比如在LFP正極體系中，添加導(dǎo)電層設(shè)計(jì)和活性涂層內(nèi)部組分梯度設(shè)計(jì)均可以提升電池的倍率性能，但是不同研究者制備的電極的活性物質(zhì)占比、負(fù)載量以及測(cè)試條件均不相同，無(wú)法對(duì)比不同復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的優(yōu)劣，不能得出電極結(jié)構(gòu)中哪一個(gè)電極固有問(wèn)題對(duì)該體系倍率性能的影響最直接。(3)電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部組分配比和電極負(fù)載對(duì)電池的性能有很大的影響，目前所報(bào)道的多層復(fù)合電極，活性物質(zhì)占比和電極負(fù)載相對(duì)較低，需要參照商業(yè)化電池的參數(shù)進(jìn)行電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探究多層復(fù)合電極商業(yè)化應(yīng)用的可行性。(4)扣式半電池與扣式全電池的工作環(huán)境并不相同，扣式全電池與商用全電池的工作環(huán)境和狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，目前關(guān)于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究大部分集中在扣式半電池，在全電池中的研究相對(duì)較少，還需要進(jìn)一步探究。

表1 不同多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速普及和推廣，提高能量密度是鋰離子電池發(fā)展的必然方向，高比容量的活性材料和高負(fù)載電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高鋰離子電池能量密度的有效手段。在高負(fù)載電極中，縱向的電子和離子傳輸路徑變長(zhǎng)會(huì)誘發(fā)更大的極化，并限制電池動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)，嵌脫鋰時(shí)體積效應(yīng)大的活性材料還易導(dǎo)致活性涂層與集流體間發(fā)生剝離，顯著降低電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高負(fù)載正負(fù)電極，存在電極表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、電極內(nèi)部組分充放電時(shí)利用不均、內(nèi)部極化不均勻等問(wèn)題，限制了高比能鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的進(jìn)一步提升。多孔電極結(jié)構(gòu)的模擬仿真和計(jì)算研究結(jié)果顯示，電極內(nèi)部合理的孔隙分布以及涂層內(nèi)部組分的合理梯度分布，在一定程度上能夠使電極內(nèi)部的電勢(shì)分布更加均勻，有利于提升電極的循環(huán)穩(wěn)定性，改善電極的倍率性能。因此，多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有望突破單層電極在高負(fù)載厚電極等設(shè)計(jì)上的瓶頸。

目前多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從電極活性涂層表面結(jié)構(gòu)和電極活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。(1)活性涂層表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為上表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和下表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。上表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從提升電極整體穩(wěn)定性出發(fā)，在電極上表面添加緩沖層，增強(qiáng)循環(huán)過(guò)程中電極上表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；下表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從減少集流體與活性涂層之間的界面電阻出發(fā)，對(duì)集流體表面進(jìn)行修飾或添加導(dǎo)電涂層，增強(qiáng)下表面的粘接強(qiáng)度和導(dǎo)電性，為集流體與活性層之間提供更多的電接觸位點(diǎn)，降低電極下表面的電荷轉(zhuǎn)移阻抗，從而提升電極整體的導(dǎo)電性。(2)活性涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要改變電極縱向物質(zhì)組成及含量，充分發(fā)揮電極內(nèi)部各組分優(yōu)勢(shì)，增加活性物質(zhì)利用率，減小電極內(nèi)部極化，從而改善電極的循環(huán)性能和倍率性能。

Note:“*” means that the information is not directly mentioned in the original text, it is estimated based on the figure or calculated based on the information in the text.

從多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)在工藝工程化應(yīng)用方面仍需不斷的改進(jìn)。復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的多元化、電極制備參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、制備技術(shù)的簡(jiǎn)潔化是未來(lái)研究的重要方向，包括：(1)深入探究不同體系電池的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)比電極不同位置復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，明確影響電極性能提升的內(nèi)在因素；(2)多層復(fù)合電極制備參數(shù)向商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)靠近，對(duì)電化學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合結(jié)構(gòu)在全電池中進(jìn)行驗(yàn)證；(3)開(kāi)發(fā)多層復(fù)合電極制備技術(shù)，推動(dòng)復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)?；瘧?yīng)用。將實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)標(biāo)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，是多層復(fù)合電極技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

雖然目前關(guān)于多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的研究還不夠完善，但是多層復(fù)合電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上能夠提升電極的電化學(xué)性能，有利于推動(dòng)高比能量鋰離子電池的發(fā)展，是提升高負(fù)載、高比能鋰離子電池倍率性能的有效方法。