Multiscale Understanding and Architecture Design of High Energy/Power Lithium‐Ion Battery Electrodes

材料科学 电池(电) 利用 多物理 背景(考古学) 锂离子电池 储能 电极 计算机科学 多尺度建模 系统工程 工程物理 纳米技术 功率(物理) 工程类 有限元法 化学 计算化学 计算机安全 物理化学 古生物学 物理 生物 结构工程 量子力学
作者
Xiao Zhang,Zhengyu Ju,Yue Zhu,Kenneth J. Takeuchi,Esther S. Takeuchi,Amy C. Marschilok,Guihua Yu
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (2) 被引量:289
标识
DOI:10.1002/aenm.202000808
摘要

Abstract Among various commercially available energy storage devices, lithium‐ion batteries (LIBs) stand out as the most compact and rapidly growing technology. This multicomponent system operates on coupled dynamics to reversibly store and release electricity. With the hierarchical electrode architectures inside LIBs, versatile functionality can be realized by design, while considerable difficulties remain to be solved to fully exploit the capability of each constituent. With the rapid electrification of the transportation sector and an urgent need to overhaul electric grids in the context of renewable energy penetration, demands for concomitant high energy and high power batteries are continuously increasing. Although building an ideal battery requires effort from multiple scientific and engineering aspects, it is imperative to gain insight into multiscale transport behaviors arising in both spatial and temporal dimensions, and enable their harmonic integration inside the whole battery system. In this progress report, recent research efforts on characterizing and understanding transport kinetics in LIBs are reviewed covering a broad range of electrode materials and length scales. To demonstrate the crucial role of such information in revolutionary electrode design, examples of innovative high energy/power electrodes are provided with their unique hierarchical porous architectures highlighted. To conclude, perspectives on further approaches toward advanced thick electrode designs with fast kinetics and tailored properties are discussed.
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