Architected Low‐Tortuosity Electrodes with Tunable Porosity from Nonequilibrium Soft‐Matter Processing

曲折 材料科学 阳极 电极 限制电流 储能 多孔性 阴极 光电子学 纳米技术 复合材料 电化学 功率(物理) 电气工程 量子力学 化学 物理 物理化学 工程类
作者
Anton B. Resing,Chase Fukuda,Jörg G. Werner
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (7) 被引量:10
标识
DOI:10.1002/adma.202209694
摘要

Mass transport is performance-defining across energy storage devices, often causing limitations at high current rates. To optimize and balance the device-scale energy and power density for a given energy storage demand, tailored electrode architectures with precisely controllable phase dimensions are needed in combination with low-tortuosity channels that maximize the geometric component of diffusion and species flux. A material-agnostic nonequilibrium soft-matter process is reported to fabricate free-standing inorganic composite electrodes with adjustable thicknesses of 100s of µm, featuring straight and accessible channels ranging in diameter from 5-30 µm, coupled with tunable material-to-pore ratios. Such architected anode and cathode electrodes exhibit electrochemical and architectural stability over extended cycling in a full-cell battery. Further, mass-transport constraints appear at high current densities, and the lithiation step is identified as rate-performance limiting, a result of insufficient lithium-ion supply and concentration polarization. The results demonstrate the need for and feasibility of tailored electrode architectures where dimensional ratios between low-tortuosity channels, the charge-storing matrix, and electrode thickness are tunable to meet coupled power and energy-storage requirements.
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