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“能源女神”孟颖团队,Nature Energy!

2026-02-18 22:58:15

“能源女神”孟颖团队,Nature Energy!

最大化锂电池能量密度，是推动下一代电动汽车与电网储能系统发展的核心挑战。实现这一目标需要电极结构不仅具备高面容量，还要最大化电化学活性组分占比。

在较低负载下，提升面容量可显著提高能量密度；但当面容量超过 5–6 mAh·cm⁻² 后，由于非活性材料（碳与粘结剂）在电池总质量中的占比急剧上升，能量密度增益会大幅衰减。

与之相对，提高活性物质质量占比与能量密度呈近似线性关系：粘结剂与导电剂的微小减少，都能直接提升电池质量利用效率。

因此，将活性物质占比提升至工业标准 95–96 wt% 以上，可带来显著的能量密度提升。

除提高质量能量密度外，减少碳、粘结剂等低密度组分，还能有效提升体积能量密度，这对空间受限的应用场景至关重要。

尽管面负载与活性物质占比常被分开研究，但必须协同优化，才能充分释放锂电池的潜力。

尽管人们已努力优化电极结构，许多高端正极材料（尤其是高镍层状氧化物，如 NMC811）的实际容量与理论容量之间仍存在巨大差距。

其理论容量超过 270 mAh·g⁻¹，但传统限压循环通常只能利用其中约 70%。

设置低截止电压是为了缓解结构退化与过渡金属溶解——二者均由正极–电解液界面（CEI）的寄生反应引发。

特别是当高镍 NMC 工作电压超过 4.30 V 时，会引发电解液分解与表面重构，导致界面不稳定，严重损害长循环性能。

结果是大量电化学活性物质无法被充分利用，限制了商用锂离子电池的电芯级能量密度。

补充表1显示，为提升能量密度，研究者已尝试在 4.40 V 以上对高镍 NMC 正极–石墨负极体系进行循环。

多数方案聚焦材料层面改性，包括电解液重构、NMC 颗粒表面包覆、体相掺杂等，旨在缓解高压降解。

尽管这些策略带来一定提升，但循环稳定性依然有限，通常在 300–500 周内容量明显衰减。

这些结果表明，高压下维持长期性能仍存在严峻挑战。

要突破这一电压诱导的容量上限，不仅需要稳定的材料，更需要能抑制高压降解、同时保证厚电极内高效电子与离子传输的电极结构与界面设计。

除高压稳定性难题外，补充表1也揭示了传统浆料涂布工艺在电极工程中的关键局限。

尽管部分研究报道面负载超过 15 mg·cm⁻² 或 3 mAh·cm⁻² 的正极，但往往依赖高含量非活性组分，活性物质占比仅约 90 wt%。

而实现高活性物质占比（>95 wt%）的电极，通常面负载极低（一般低于 10 mg·cm⁻²），原因包括力学完整性差、易与集流体剥离、干燥过程难以维持电子传导网络等。

这些局限在高截止电压下尤为突出：电极内部加剧的电化学与结构应力会进一步恶化寄生反应与力学失效。

与浆料涂布不同，干法制备无需液相过程，直接将活性物质、导电碳与粘结剂进行机械复合，可制备非活性含量极低、结构均匀的电极。

尽管干法电极制备在生产效率、能耗与时间上具有明显优势，但其工艺条件如何决定电极结构仍缺乏深入理解，限制了其在制备厚电极、高压正极、超高活性物质占比体系中的应用。

加州大学圣地亚哥分校孟颖（Ying Shirley Meng）教授、加利福尼亚大学圣迭戈分校Oleg G. Shpyrko和法国皮卡第儒勒-凡尔纳大学Alejandro A. Franco教授等人采用原位单颗粒 X 射线衍射（XRD），观测高负载 NMC811 正极在 4.40 V 以上循环过程中的相变动力学与结构不均匀性。

该方法可实时追踪晶格、应变与相不均匀性的演化——这些现象在体相平均表征中通常被掩盖。

原位研究揭示了传统浆料电极失效的机理，并为干法电极结构的理性设计提供依据，使其同时实现高面负载（>5 mAh·cm⁻²）与超高活性物质占比（>99 wt%）。

团队进一步结合粗粒化分子动力学（CGMD）模拟，揭示干法混合过程中 PTFE 粘结剂与功能化气相生长碳纤维（VGCF）的介观相互作用，阐明剪切力与压实如何调控导电网络形成与界面耦合。

这些结果建立了定量的结构–工艺–性能关系，为理性设计干法厚电极提供了基础，并成功实现4.55 V NMC811||石墨软包电池。

孟颖（Ying Shirley Meng），美国芝加哥大学分子工程学院教授，美国能源部阿贡国家实验室能源存储科学合作中心（ACCESS）首席科学家，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米工程系及能源技术Zable荣誉首席教授，可持续电力和能源中心（SPEC）的创始主任，以及材料设计与探索研究所（IMDD）的创始主任，美国电化学学会成员，能量储存及转化实验室（LESC）的首席研究员。已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Materials, Joule, Energy & Environmental Science, Journal of American Chemical Society等国际著名学术期刊上发表超过500篇同行评议论文，获得过多项著名奖项。

https://www.nature.com/articles/s41560-026-01981-3

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