锂電(diàn)池已經與我們生(shēng)活息息相關，我們吃(chī)穿住行(xíng)都與之有(yǒu)着千絲萬縷的關系，但(dàn)是很(hěn)多(duō)人(rén)卻對锂電(diàn)池并不了解，這并不局限于普通(tōng)的消費者，即使是各種電(diàn)器(qì)的設計(jì)師(shī)對于锂電(diàn)池也是一知半解。下面惟尚将和(hé)大(dà)家(jiā)一起分享下關于锂電(diàn)池知識的系列文章，通(tōng)過這些(xiē)文章大(dà)家(jiā)将對锂電(diàn)池産生(shēng)一個(gè)系統的認識。
四、《锂電(diàn)池的能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率》
能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率是對锂電(diàn)池影(yǐng)響最大(dà)的兩個(gè)參數(shù)，因為(wèi)這兩個(gè)參數(shù)直接決定了锂電(diàn)池使用過程中的類型選擇及産品串并聯方案等重要參數(shù)。接下來(lái)的內(nèi)容，我們将就锂離子電(diàn)池與能量相關的兩個(gè)關鍵指标：能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率，展開(kāi)一些(xiē)簡短(duǎn)的論述。
能量密度，是單位體(tǐ)積或重量可(kě)以存儲的能量多(duō)少(shǎo)，這個(gè)指标當然是越高(gāo)越好，凡是濃縮的都是精華嘛。充放電(diàn)倍率，是能量存儲和(hé)釋放的速度，最好是秒(miǎo)速，瞬間(jiān)存滿或釋放，召之即來(lái)揮之即去。
當然，這些(xiē)都是理(lǐ)想，實際上(shàng)受制(zhì)于各種各樣的現實因素，我們既不可(kě)能獲得(de)無限的能量，也不可(kě)能實現能量的瞬間(jiān)轉移。如何不斷的突破這些(xiē)限制(zhì)，達到更高(gāo)的等級，就是需要我們去解決的難題。
五、 锂離子電(diàn)池的能量密度
可(kě)以說，能量密度是制(zhì)約當前锂離子電(diàn)池發展的最大(dà)瓶頸。不管是手機，還(hái)是電(diàn)動汽車(chē)，人(rén)們都期待電(diàn)池的能量密度能夠達到一個(gè)全新的量級，使得(de)産品的續航時(shí)間(jiān)或續航裏程不再成為(wèi)困擾産品的主要因素。
從鉛酸電(diàn)池、鎳镉電(diàn)池、鎳氫電(diàn)池、再到锂離子電(diàn)池，能量密度一直在不斷的提升。可(kě)是提升的速度相對于工業規模的發展速度而言，相對于人(rén)類對能量的需求程 度而言，顯得(de)太慢了。甚至有(yǒu)人(rén)戲言，人(rén)類的進步都被卡在“電(diàn)池”這兒了。當然，如果哪一天能夠實現全球電(diàn)力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得(de)電(diàn)能(像手機 信号一樣)，那(nà)麽人(rén)類也就不再需要電(diàn)池了，社會(huì)發展自然也就不會(huì)卡在電(diàn)池上(shàng)面。
針對能量密度成為(wèi)瓶頸的現狀，全球各國都制(zhì)訂了相關的電(diàn) 池産業政策目标，期望引領電(diàn)池行(xíng)業在能量密度方面取得(de)顯著的突破。中、美、日等國政府或行(xíng)業組織所制(zhì)定的2020年目标，基本上(shàng)都指向300Wh/kg這 一數(shù)值，相當于在當前的基礎上(shàng)提升接近1倍。2030年的遠期目标，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電(diàn)池行(xíng)業必須要有(yǒu)化學體(tǐ)系的重大(dà)突 破，才有(yǒu)可(kě)能實現這一目标。
影(yǐng)響锂離子電(diàn)池能量密度的因素有(yǒu)很(hěn)多(duō)，就锂離子電(diàn)池現有(yǒu)的化學體(tǐ)系和(hé)結構而言，具體(tǐ)都有(yǒu)哪些(xiē)明(míng)顯的限制(zhì)呢？
前面我們分析過，充當電(diàn)能載體(tǐ)的，其實就是電(diàn)池當中的锂元素，其他物質都是“廢物”，可(kě)是要獲得(de)穩定的、持續的、安全的電(diàn)能載體(tǐ)，這些(xiē)“廢物”又是不可(kě) 或缺的。舉個(gè)例子，一塊锂離子電(diàn)池當中，锂元素的質量占比一般也就在1%多(duō)一點，其餘99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質。愛(ài)迪生(shēng)有(yǒu)句名言，成 功是99%的汗水(shuǐ)加上(shàng)1%的天賦，看來(lái)這個(gè)道(dào)理(lǐ)放之四海皆準啊，1%是紅花(huā)，剩下的99%就是綠葉，少(shǎo)了哪個(gè)都不行(xíng)。
那(nà)麽要提高(gāo)能量密度，我們首先想到的就是提高(gāo)锂元素的比例，同時(shí)要讓盡可(kě)能多(duō)的锂離子從正極跑出來(lái)，移動到負極，然後還(hái)得(de)從負極原數(shù)返回正極(不能變少(shǎo)了)，周而複始的搬運能量。
1. 提高(gāo)正極活性物質的占比
提高(gāo)正極活性物質占比，主要是為(wèi)了提高(gāo)锂元素的占比，在同一個(gè)電(diàn)池化學體(tǐ)系中，锂元素的含量上(shàng)去了(其他條件不變)，能量密度也會(huì)有(yǒu)相應的提升。所以在一定的體(tǐ)積和(hé)重量限制(zhì)下，我們希望正極活性物質多(duō)一些(xiē)，再多(duō)一些(xiē)。
2. 提高(gāo)負極活性物質的占比
這個(gè)其實是為(wèi)了配合正極活性物質的增加，需要更多(duō)的負極活性物質來(lái)容納遊過來(lái)的锂離子，存儲能量。如果負極活性物質不夠，多(duō)出來(lái)的锂離子會(huì)沉積在負極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現不可(kě)逆的化學反應和(hé)電(diàn)池容量衰減。
3. 提高(gāo)正極材料的比容量(克容量)
正極活性物質的占比是有(yǒu)上(shàng)限的，不能無限制(zhì)提升。在正極活性物質總量一定的情況下，隻有(yǒu)盡可(kě)能多(duō)的锂離子從正極脫嵌，參與化學反應，才能提升能量密度。所以我們希望可(kě)脫嵌的锂離子相對于正極活性物質的質量占比要高(gāo)，也就是比容量指标要高(gāo)。
這就是我們研究和(hé)選擇不同的正極材料的原因，從钴酸锂到磷酸鐵(tiě)锂，再到三元材料，都是奔着這個(gè)目标去的。
前面已經分析過，钴酸锂可(kě)以達到137mAh/g，錳酸锂和(hé)磷酸鐵(tiě)锂的實際值都在120mAh/g左右，鎳钴錳三元則可(kě)以達到180mAh/g。如果要再往上(shàng)提升，就需要研究新的正極材料，并取得(de)産業化進展。
4. 提高(gāo)負極材料的比容量
相對而言，負極材料的比容量還(hái)不是锂離子電(diàn)池能量密度的主要瓶頸，但(dàn)是如果進一步提升負極的比容量，則意味着以質量更少(shǎo)的負極材料，就可(kě)以容納更多(duō)的锂離子，從而達到提升能量密度的目标。
以石墨類碳材料做(zuò)負極，理(lǐ)論比容量在372mAh/g，在此基礎上(shàng)研究的硬碳材料和(hé)納米碳材料，則可(kě)以将比容量提高(gāo)到600mAh/g以上(shàng)。錫基和(hé)矽基負極材料，也可(kě)以将負極的比容量提升到一個(gè)很(hěn)高(gāo)的量級，這些(xiē)都是當前研究的熱點方向。
5. 減重瘦身
除了正負極的活性物質之外，電(diàn)解液、隔離膜、粘結劑、導電(diàn)劑、集流體(tǐ)、基體(tǐ)、殼體(tǐ)材料等，都是锂離子電(diàn)池的“死重”，占整個(gè)電(diàn)池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些(xiē)材料的重量，同時(shí)不影(yǐng)響電(diàn)池的性能，那(nà)麽同樣也可(kě)以提升锂離子電(diàn)池的能量密度。
在這方面做(zuò)文章，就需要針對電(diàn)解液、隔離膜、粘結劑、基體(tǐ)和(hé)集流體(tǐ)、殼體(tǐ)材料、制(zhì)造工藝等方面進行(xíng)詳細的研究和(hé)分析，從而找出合理(lǐ)的方案。各個(gè)方面都改善一些(xiē)，就可(kě)以将電(diàn)池的能量密度整體(tǐ)提升一個(gè)幅度。
從以上(shàng)的分析可(kě)以看出，提升锂離子電(diàn)池的能量密度是一個(gè)系統工程，要從改善制(zhì)造工藝、提升現有(yǒu)材料性能、以及開(kāi)發新材料和(hé)新化學體(tǐ)系這幾個(gè)方面入手，尋找短(duǎn)期、中期和(hé)長期的解決方案。
六、 锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)倍率
锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)倍率，決定了我們可(kě)以以多(duō)快的速度，将一定的能量存儲到電(diàn)池裏面，或者以多(duō)快的速度，将電(diàn)池裏面的能量釋放出來(lái)。當然，這個(gè)存儲和(hé)釋放的過程是可(kě)控的，是安全的，不會(huì)顯著影(yǐng)響電(diàn)池的壽命和(hé)其他性能指标。
倍率指标，在電(diàn)池作(zuò)為(wèi)電(diàn)動工具，尤其是電(diàn)動交通(tōng)工具的能量載體(tǐ)時(shí)，顯得(de)尤為(wèi)重要。設想一下，如果你(nǐ)開(kāi)着一輛(liàng)電(diàn)動車(chē)去辦事，半路發現快沒電(diàn)了，找個(gè)充電(diàn)站(zhàn)充電(diàn)，充了一個(gè)小(xiǎo)時(shí)還(hái)沒充滿，估計(jì)要辦的事情都耽誤了。又或者你(nǐ)的電(diàn)動汽車(chē)在爬一個(gè)陡坡，無論怎麽踩油門(mén)(電(diàn)門(mén))，車(chē)子卻慢的像烏龜，使不上(shàng)勁，自己恨不得(de)下來(lái)推車(chē)。
顯然，以上(shàng)這些(xiē)場(chǎng)景都是我們不希望看到的，但(dàn)是卻是當前锂離子電(diàn)池的現狀，充電(diàn)耗時(shí)久，放電(diàn)也不能太猛，否則電(diàn)池就會(huì)很(hěn)快衰老，甚至有(yǒu)可(kě)能發生(shēng)安全問 題。但(dàn)是在許多(duō)的應用場(chǎng)合，我們都需要電(diàn)池具有(yǒu)大(dà)倍率的充放電(diàn)性能，所以我們又一次卡在了“電(diàn)池”這兒。為(wèi)了锂離子電(diàn)池獲得(de)更好的發展，我們有(yǒu)必要搞清 楚，都是哪些(xiē)因素在限制(zhì)電(diàn)池的倍率性能。
锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)倍率性能，與锂離子在正負極、電(diàn)解液、以及他們之間(jiān)界面處的遷移能力直接相關，一切影(yǐng)響锂離子遷移速度的因素(這些(xiē)影(yǐng)響因子也可(kě)等效 為(wèi)電(diàn)池的內(nèi)阻)，都會(huì)影(yǐng)響锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)倍率性能。此外，電(diàn)池內(nèi)部的散熱速率，也是影(yǐng)響倍率性能的一個(gè)重要因素，如果散熱速率慢，大(dà)倍率充放電(diàn)時(shí)所積 累的熱量無法傳遞出去，會(huì)嚴重影(yǐng)響锂離子電(diàn)池的安全性和(hé)壽命。因此，研究和(hé)改善锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)倍率性能，主要從提高(gāo)锂離子遷移速度和(hé)電(diàn)池內(nèi)部的散熱速 率兩個(gè)方面着手。
1. 提高(gāo)正、負極的锂離子擴散能力
锂離子在正/負極活性物質內(nèi)部的脫嵌和(hé)嵌入的速率，也就是锂離子從正/負極活性物質裏面跑出來(lái)的速度，或者從正/負極表面進入活性物質內(nèi)部找個(gè)位置“安家(jiā)”的速度到底有(yǒu)多(duō)快，這是影(yǐng)響充放電(diàn)倍率的一個(gè)重要因素。
舉個(gè)例子，全球每年都有(yǒu)會(huì)很(hěn)多(duō)的馬拉松比賽，雖然大(dà)家(jiā)基本同一時(shí)間(jiān)出發，可(kě)是道(dào)路寬度有(yǒu)限，參與的卻人(rén)很(hěn)多(duō)(有(yǒu)時(shí)多(duō)達上(shàng)萬人(rén))，造成相互擁擠，加上(shàng)參與 人(rén)員的身體(tǐ)素質參差不齊，比賽的隊伍最後會(huì)變成一個(gè)超長的戰線。有(yǒu)人(rén)很(hěn)快到達終點，有(yǒu)人(rén)晚到幾個(gè)小(xiǎo)時(shí)，有(yǒu)人(rén)跑到昏厥，半路就歇菜了。
锂離子在正/負極的擴散和(hé)移動，與馬拉松比賽基本差不多(duō)，跑得(de)慢的，跑得(de)快的都有(yǒu)，加上(shàng)各自選擇的道(dào)路長短(duǎn)不一，嚴重制(zhì)約了比賽結束的時(shí)間(jiān)(所有(yǒu)人(rén)都跑 完)。所以呢，我們不希望跑馬拉松，最好大(dà)家(jiā)都跑百米，距離足夠短(duǎn)，所有(yǒu)人(rén)都可(kě)以快速達到終點，另外，跑道(dào)要足夠的寬，不要相互擁擠，道(dào)路也不要曲折蜿 蜒，直線是最好的，要降低(dī)比賽難度。如此一來(lái)，裁判一聲令響，千軍萬馬一起奔向終點，比賽快速結束，倍率性能優異。
在正極材料處，我們希望極片要足夠的薄，也就是活性材料的厚度要小(xiǎo)，這樣等于縮短(duǎn)了賽跑的距離，所以希望盡可(kě)能的提高(gāo)正極材料壓實密度。在活性物質 內(nèi)部，要有(yǒu)足夠的孔間(jiān)隙，給锂離子留出比賽的通(tōng)道(dào)，同時(shí)這些(xiē)“跑道(dào)”分布要均勻，不要有(yǒu)的地方有(yǒu)，有(yǒu)的地方沒有(yǒu)，這就要優化正極材料的結構，改變粒子之間(jiān) 的距離和(hé)結構，做(zuò)到均勻分布。以上(shàng)兩點，其實是相互矛盾的，提高(gāo)壓實密度，雖然厚度變薄，但(dàn)是粒子間(jiān)隙會(huì)變小(xiǎo)，跑道(dào)就會(huì)顯得(de)擁擠，反之，保持一定的粒子間(jiān) 隙，不利于把材料做(zuò)薄。所以需要尋找一個(gè)平衡點，以達到最佳的锂離子遷移速率。
此外，不同材料的正極物質，對锂離子的擴散系數(shù)有(yǒu)顯著影(yǐng)響。因此，選擇锂離子擴散系數(shù)比較高(gāo)的正極材料，也是改善倍率性能的重要方向。
負極材料的處理(lǐ)思路，與正極材料類似，也是主要從材料的結構、尺寸、厚度等方面着手，減小(xiǎo)锂離子在負極材料中的濃度差，改善锂離子在負極材料中的擴散能 力。以碳基負極材料為(wèi)例，近年來(lái)針對納米碳材料的研究(納米管、納米線、納米球等)，取代傳統的負極層狀結構，就可(kě)以顯著的改善負極材料的比表面積、內(nèi)部 結構和(hé)擴散通(tōng)道(dào)，從而大(dà)幅度提升負極材料的倍率性能。
2. 提高(gāo)電(diàn)解質的離子電(diàn)導率
锂離子在正/負極材料裏面玩的是賽跑，在電(diàn)解質裏面的比賽項目卻是遊泳。
遊泳比賽，如何降低(dī)水(shuǐ)(電(diàn)解液)的阻力，就成為(wèi)速度提升的關鍵。近年來(lái)，遊泳運動員普遍穿着鲨魚服，這種泳衣可(kě)以極大(dà)的降低(dī)水(shuǐ)在人(rén)體(tǐ)表面形成的阻力，從而提高(gāo)運動員的比賽成績，并且成為(wèi)非常有(yǒu)争議的話(huà)題。
锂離子要在正、負極之間(jiān)來(lái)回穿梭，就如同在電(diàn)解質和(hé)電(diàn)池殼體(tǐ)所構成的“遊泳池”裏面遊泳，電(diàn)解質的離子電(diàn)導率如同水(shuǐ)的阻力一樣，對锂離子遊泳的速度有(yǒu)非常大(dà)的影(yǐng)響。目前锂離子電(diàn)池所采用的有(yǒu)機電(diàn)解質，不管是液體(tǐ)電(diàn)解質，還(hái)是固體(tǐ)電(diàn)解質，其離子電(diàn)導率都不是很(hěn)高(gāo)。電(diàn)解質的電(diàn)阻成為(wèi)整個(gè)電(diàn)池電(diàn)阻的重要組成部分，對锂離子電(diàn)池高(gāo)倍率性能的影(yǐng)響不容忽視(shì)。
除了提高(gāo)電(diàn)解質的離子電(diàn)導率之外，還(hái)需要着重關注電(diàn)解質的化學穩定性和(hé)熱穩定性。在大(dà)倍率充放電(diàn)時(shí)，電(diàn)池的電(diàn)化學窗口變化範圍非常寬，如果電(diàn)解質的化學 穩定性不好，容易在正極材料表面氧化分解，影(yǐng)響電(diàn)解質的離子電(diàn)導率。電(diàn)解液的熱穩定性則對锂離子電(diàn)池的安全性和(hé)循環壽命有(yǒu)非常大(dà)的影(yǐng)響，因為(wèi)電(diàn)解質受熱分 解時(shí)會(huì)産生(shēng)很(hěn)多(duō)氣體(tǐ)，一方面對電(diàn)池安全構成隐患，另一方面有(yǒu)些(xiē)氣體(tǐ)對負極表面的SEI膜産生(shēng)破壞作(zuò)用，影(yǐng)響其循環性能。
因此，選擇具有(yǒu)較高(gāo)的锂離子傳導能力、良好的化學穩定性和(hé)熱穩定性、且與電(diàn)極材料匹配的電(diàn)解質是提高(gāo)锂離子電(diàn)池倍率性能的一個(gè)重要方向。
3. 降低(dī)電(diàn)池的內(nèi)阻
這裏涉及到幾種不同的物質和(hé)物質之間(jiān)的界面，它們所形成的電(diàn)阻值，但(dàn)都會(huì)對離子/電(diàn)子的傳導産生(shēng)影(yǐng)響。
一般在正極活性物質內(nèi)部會(huì)添加導電(diàn)劑，從而降低(dī)活性物質之間(jiān)、活性物質與正極基體(tǐ)/集流體(tǐ)的接觸電(diàn)阻，改善正極材料的電(diàn)導率(離子和(hé)電(diàn)子電(diàn)導率)，提升倍率性能。不同材料不同形狀的導電(diàn)劑，都會(huì)對電(diàn)池的內(nèi)阻産生(shēng)影(yǐng)響，進而影(yǐng)響其倍率性能。
正負極的集流體(tǐ)(極耳)是锂離子電(diàn)池與外界進行(xíng)電(diàn)能傳遞的載體(tǐ)，集流體(tǐ)的電(diàn)阻值對電(diàn)池的倍率性能也有(yǒu)很(hěn)大(dà)的影(yǐng)響。因此，通(tōng)過改變集流體(tǐ)的材質、尺寸大(dà)小(xiǎo)、引出方式、連接工藝等，都可(kě)以改善锂離子電(diàn)池的倍率性能和(hé)循環壽命。
電(diàn)解質與正負極材料的浸潤程度，會(huì)影(yǐng)響電(diàn)解質與電(diàn)極界面處的接觸電(diàn)阻，從而影(yǐng)響電(diàn)池的倍率性能。電(diàn)解質的總量、粘度、雜質含量、正負極材料的孔隙等，都會(huì)改變電(diàn)解質與電(diàn)極的接觸阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。
锂離子電(diàn)池在第一次循環的過程中，随着锂離子嵌入負極，在負極會(huì)形成一層固态電(diàn)解質(SEI)膜，SEI膜雖然具有(yǒu)良好的離子導電(diàn)性，但(dàn)是仍然會(huì)對锂離 子的擴散有(yǒu)一定的阻礙作(zuò)用，尤其是大(dà)倍率充放電(diàn)的時(shí)候。随着循環次數(shù)的增加，SEI膜會(huì)不斷脫落、剝離、沉積在負極表面，導緻負極的內(nèi)阻逐漸增加，成為(wèi)影(yǐng) 響循環倍率性能的因素。因此，控制(zhì)SEI膜的變化，也能夠改善锂離子電(diàn)池長期循環過程中的倍率性能。
此外，隔離膜的吸液率和(hé)孔隙率也對锂離子的通(tōng)過性有(yǒu)較大(dà)的影(yǐng)響，也會(huì)一定程度上(shàng)影(yǐng)響锂離子電(diàn)池的倍率性能(相對較小(xiǎo))。
