锂离子电池性能的优劣不只取决于正负极活性材料本身,而是电池系统各部分(包括了活性材料、电解液、隔膜、导电剂、添加剂等)协同作用的结果,各组成部分共同形成了电池内部的电荷传输系统。在电极结构中,电荷传输主要包括三部分:(1)由电解液浸润于电极多孔结构而形成的离子导电网络;(2)由导电剂和粘结剂形成的电子导电网络;(3)活性材料内部的电子、离子导电网络及其与电解液、导电剂界面的电子/离子导电网络。电荷传输系统不仅连接着活性材料,还控制着离子与电子的传输过程,决定了电池的电化学性能及安全性。长期以来,研究人员对于提高锂离子电池能量密度的研究主要集中于活性材料开发方面,大部分研究中电极物质负载量都小于3 mg cm-2,不能很好满足商业化应用需求(8-30 mg cm-2)。将电极涂层增厚来增加活性物质占比是提高锂离子电池能量密度最简单的方法,然而简单的增加电极厚度会降低电荷传输效率,限制活性材料性能的发挥,导致电池性能的急剧恶化。可见,电极结构对电池性能有着至关重要的影响。本论文围绕实现电荷传输优化的电极构建这一研究目标,从电极厚度、活性材料结构、电极孔道结构、导电剂网络结构四个角度进行了深入的探究,最后开发了电纺/气喷电极制备新工艺,制备出了具有高效电荷传输网络的电极结构,实现锂离子电池能量密度、功率密度的提高,为研究开发高能量密度锂离子电池提供重要的科学、实验依据。具体研究工作如下:(1)在电极厚度影响探究方面,本论文使用涂布工艺制备了不同厚度的电极结构,分析讨论了电极厚度对电荷在电极中扩散传输的影响机理,研究了电极厚度对电极结构及电池性能的影响规律。同时,分析讨论了交流阻抗测试(EIS)及混合脉冲直流内阻测试(HPPC)在分析电池内阻的适用场合及局限性;使用改进的恒电流间歇滴定法(GITT)测试验证Rion随电极厚度的变化规律。(2)在电极活性材料结构设计方面,本论文设计了一种纳米中空球结构材料,通过缩短离子/电子在活性材料结构中的传输距离,提升了电池的倍率、循环性能。通过一种简易的水热法合成了 W03-Sn02纳米中空球材料作为负极活性材料,该材料展示出了良好的电化学性能:50 mA g-1下,达884 mAh g-1的比容量;循环500圈后(1000 mA g-1),比容量仍有理论容量的50.8%。(3)在电极孔道结构优化方面,本论文设计了一种梯度多孔电极结构,降低了多孔电极的迂曲度,实现了厚电极中锂离子的高效传输及电池性能的显著提升。使用氯化钠颗粒模板造孔法在传统电极涂布工艺基础上实现了厚电极孔隙率的低成本可控制备,实现了活性物质负载量为12 mg cm-2的钛酸锂电极在5C放电倍率下,比容量达120 mAh g-1,循环500圈后无明显衰减的优异性能。制备出了活性物质负载量为20 mg cm-2和30 mg cm-2的梯度多孔钛酸锂电极,验证了梯度多孔电极对实现高负载电极优良电池性能的可行性。(4)在电极导电剂网络结构优化方面,本论文设计了一种具有三维导电网络的自支撑电极结构,通过利用碳纳米管的高电导率及其一维结构的长程导电优势,提高了电极的电子传输效率,实现了活性物质负载量为3 mg cm-2的LFP电极在1C倍率下500圈循环无衰减,13 mg cm-2的LFP电极1C倍率200圈循环容量保持98%以上的优异性能。进一步,我们利用PAN纳米纤维设计并制备出了隔膜/三维导电网络一体化电极结构,全电池的单体比容量为44 mAh g-1为传统涂布工艺电极电池单体比容量(24mAh g-1)近2倍。(5)在电极制备新工艺探究方面,本论文提出了一种将静电纺丝技术与气喷技术相结合的新型电极制备工艺(ECAS),制备出了具有低迂曲度、高电导率电荷传输网络的电极结构,提升了电池性能并实现了高负载电极的制备:制备的LFP电极(13 mg cm-2)1C倍率300圈循环后容量衰减约15%;制备出了活性物质负载量>75 mg cm-2,面积比容量达12.3 mAh cm-2的LFP电极。同时,该工艺可用于多种活性材料的电极制备中,是一种通用的电极制备方法。