尊龙凯时人生就是搏

接下来的内容
，我们迁就锂离子电池与能量相关的两个要害指标：能量密度和充放电倍率
，睁开一些简短的叙述。

能量密度
，是单位体积或重量可以存储的能量几多
，这个指标虽然是越高越好
，通常浓缩的都是英华嘛。充放电倍率
，是能量存储和释放的速率
，最好是秒速
，瞬间存满或释放
，召之即来挥之即去。

虽然
，这些都是理想
，现实上受制于种种各样的现实因素
，我们既不可能获得无限的能量
，也不可能实现能量的瞬间转移。怎样一直的突破这些限制
，抵达更高的品级
，就是需要我们去解决的难题。

一、 锂离子电池的能量密度

可以说
，能量密度是制约目今锂离子电池生长的最大瓶颈。不管是手机
，照旧电动汽车
，人们都期待电池的能量密度能够抵达一个全新的量级
，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。

从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池
，能量密度一直在一直的提升
？墒翘嵘乃俾氏喙赜诠ひ倒婺５纳に俾识
，相关于人类对能量的需求水平而言
，显得太慢了。甚至有人戏言
，人类的前进都被卡在“电池”这儿了。虽然
，若是哪一天能够实现全球电力无线传输
，到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样)
，那么人类也就不再需要电池了
，社会生长自然也就不会卡在电池上面。

针对能量密度成为瓶颈的现状
，全球各国都制订了相关的电池工业政策目的
，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制订的2020年目的
，基本上都指向300Wh/kg这一数值
，相当于在目今的基础上提升靠近1倍。2030年的远期目的
，则要抵达500Wh/kg
，甚至700Wh/kg
，电池行业必需要有化学系统的重大突破
，才有可能实现这一目的。

影响锂离子电池能量密度的因素有许多
，就锂离子电池现有的化学系统和结构而言
，详细都有哪些显着的限制呢
？

前面我们剖析过
，充当电能载体的
，着实就是电池当中的锂元素
，其他物质都是“废物”
，可是要获得稳固的、一连的、清静的电能载体
，这些“废物”又是不可或缺的。举个例子
，一块锂离子电池当中
，锂元素的质量占比一样平常也就在1%多一点
，其余99%的因素都是不肩负能量存储功效的其他物质。爱迪生有句名言
，乐成是99%的汗水加上1%的先天
，看来这个原理放之四海皆准啊
，1%是红花
，剩下的99%就是绿叶
，少了哪个都不可。

那么要提高能量密度
，我们首先想到的就是提高锂元素的比例
，同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来
，移动到负极
，然后还得从负极原数返回正极(不可变少了)
，周而复始的搬运能量。

1. 提高正极活性物质的占比

提高正极活性物质占比
，主要是为了提高锂元素的占比
，在统一个电池化学系统中
，锂元素的含量上去了(其他条件稳固)
，能量密度也会有响应的提升。以是在一定的体积和重量限制下
，我们希望正极活性物质多一些
，再多一些。

2. 提高负极活性物质的占比

这个着实是为了配合正极活性物质的增添
，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子
，存储能量。若是负极活性物质不敷
，多出来的锂离子会沉积在负极外貌
，而不是嵌入内部
，泛起不可逆的化学反应和电池容量衰减。

3. 提高正极质料的比容量(克容量)

正极活性物质的占比是有上限的
，不可无限制提升。在正极活性物质总量一定的情形下
，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌
，加入化学反应
，才华提升能量密度。以是我们希望可脱嵌的锂离子相关于正极活性物质的质量占比要高
，也就是比容量指标要高。

这就是我们研究和选择差别的正极质料的缘故原由
，从钴酸锂到磷酸铁锂
，再到三元质料
，都是奔着这个目的去的。

前面已经剖析过
，钴酸锂可以抵达137mAh/g
，锰酸锂和磷酸铁锂的现实值都在120mAh/g左右
，镍钴锰三元则可以抵达180mAh/g。若是要再往上提升
，就需要研究新的正极质料
，并取得工业化希望。

4. 提高负极质料的比容量

相对而言
，负极质料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈
，可是若是进一步提升负极的比容量
，则意味着以质量更少的负极质料
，就可以容纳更多的锂离子
，从而抵达提升能量密度的目的。

　　以石墨类碳质料做负极
，理论比容量在372mAh/g
，在此基础上研究的硬碳质料和纳米碳质料
，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极质料
，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级
，这些都是目今研究的热门偏向。

5. 减重瘦身

除了正负极的活性物质之外
，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体质料等
，都是锂离子电池的“死重”
，占整个电池重量的比例在40%左右。若是能够减轻这些质料的重量
，同时不影响电池的性能
，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。

在这方面做文章
，就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体质料、制造工艺等方面举行详细的研究和剖析
，从而找出合理的计划。各个方面都改善一些
，就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。

从以上的剖析可以看出
，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程
，要从改善制造工艺、提升现有质料性能、以及开发新质料和新化学系统这几个方面入手
，寻找短期、中期和恒久的解决计划。

二、 锂离子电池的充放电倍率

锂离子电池的充放电倍率
，决议了我们可以以多快的速率
，将一定的能量存储到电池内里
，或者以多快的速率
，将电池内里的能量释放出来。虽然
，这个存储和释放的历程是可控的
，是清静的
，不会显著影响电池的寿命和其他性能指标。

倍率指标
，在电池作为电动工具
，尤其是电动交通工具的能量载体时
，显得尤为主要。设想一下
，若是你开着一辆电动车去效劳
，半路发明快没电了
，找个充电站充电
，充了一个小时还没充满
，预计要办的事情都延伸了。又或者你的电动汽车在爬一个陡坡
，无论怎么踩油门(电门)
，车子却慢的像乌龟
，使不上劲
，自己恨不得下来推车。

显然
，以上这些场景都是我们不希望看到的
，可是却是目今锂离子电池的现状
，充电耗时久
，放电也不可太猛
，不然电池就会很快朽迈
，甚至有可能爆发清静问题。可是在许多的应用场合
，我们都需要电池具有大倍率的充放电性能
，以是我们又一次卡在了“电池”这儿。为了锂离子电池获得更好的生长
，我们有须要搞清晰
，都是哪些因素在限制电池的倍率性能。

锂离子电池的充放电倍率性能
，与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁徙能力直接相关
，一切影响锂离子迁徙速率的因素(这些影响因子也可等效为电池的内阻)
，都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。别的
，电池内部的散热速率
，也是影响倍率性能的一个主要因素
，若是散热速率慢
，大倍率充放电时所积累的热量无法转达出去
，会严重影响锂离子电池的清静性和寿命。因此
，研究和改善锂离子电池的充放电倍率性能
，主要从提高锂离子迁徙速率和电池内部的散热速率两个方面着手。

1. 提高正、负极的锂离子扩散能力

锂离子在正/负极活性物质内部的脱嵌和嵌入的速率
，也就是锂离子从正/负极活性物质内里跑出来的速率
，或者从正/负极外貌进入活性物质内部找个位置“安家”的速率究竟有多快
，这是影响充放电倍率的一个主要因素。

举个例子
，全球每年都有会许多的马拉松角逐
，虽然各人基本统一时间出发
，可是蹊径宽度有限
，加入的却人许多(有时多达上万人)
，造成相互拥挤
，加上加入职员的身体素质狼籍不齐
，角逐的步队最后会酿成一个超长的战线。有人很快抵达终点
，有人晚到几个小时
，有人跑到昏厥
，半路就歇菜了。

锂离子在正/负极的扩散和移动
，与马拉松角逐基本差未几
，跑得慢的
，跑得快的都有
，加上各自选择的蹊径是非纷歧
，严重制约了角逐竣事的时间(所有人都跑完)。以是呢
，我们不希望赛马拉松
，最好各人都跑百米
，距离足够短
，所有人都可以快速抵达终点
，另外
，跑道要足够的宽
，不要相互拥挤
，蹊径也不要曲折蜿蜒
，直线是最好的
，要降低角逐难度。云云一来
，裁判一声令响
，千军万马一起奔向终点
，角逐快速竣事
，倍率性能优异。

在正极质料处
，我们希望极片要足够的薄
，也就是活性子料的厚度要小
，这样即是缩短了赛跑的距离
，以是希望尽可能的提高正极质料压实密度。在活性物质内部
，要有足够的孔间隙
，给锂离子留出角逐的通道
，同时这些“跑道”漫衍要匀称
，不要有的地方有
，有的地方没有
，这就要优化正极质料的结构
，改变粒子之间的距离和结构
，做到匀称漫衍。以上两点
，着实是相互矛盾的
，提高压实密度
，虽然厚度变薄
，可是粒子间隙会变小
，跑道就会显得拥挤
，反之
，坚持一定的粒子间隙
，倒运于把质料做薄。以是需要寻找一个平衡点
，以抵达最佳的锂离子迁徙速率。

别的
，差别质料的正极物质
，对锂离子的扩散系数有显著影响。因此
，选择锂离子扩散系数较量高的正极质料
，也是改善倍率性能的主要偏向。

负极质料的处置惩罚思绪
，与正极质料类似
，也是主要从质料的结构、尺寸、厚度等方面着手
，减小锂离子在负极质料中的浓度差
，改善锂离子在负极质料中的扩散能力。以碳基负极质料为例
，近年来针对纳米碳质料的研究(纳米管、纳米线、纳米球等)
，取代古板的负极层状结构
，就可以显著的改善负极质料的比外貌积、内部结构和扩散通道
，从而大幅度提升负极质料的倍率性能。

2. 提高电解质的离子电导率

锂离子在正/负极质料内里玩的是赛跑
，在电解质内里的角逐项目却是游泳。

游泳角逐
，怎样降低水(电解液)的阻力
，就成为速率提升的要害。近年来
，游泳运发动普遍衣着鲨鱼服
，这种泳衣可以极大的降低水在人体外貌形成的阻力
，从而提高运发动的角逐效果
，并且成为很是有争议的话题。

锂离子要在正、负极之间往返穿梭
，就犹如在电解质和电池壳体所组成的“游泳池”内里游泳
，电解质的离子电导率犹如水的阻力一样
，对锂离子游泳的速率有很是大的影响。现在锂离子电池所接纳的有机电解质
，不管是液体电解质
，照旧固体电解质
，其离子电导率都不是很高。电解质的电阻成为整个电池电阻的主要组成部分
，对锂离子电池高倍率性能的影响禁止忽视。

除了提高电解质的离子电导率之外
，还需要着重关注电解质的化学稳固性和热稳固性。在大倍率充放电时
，电池的电化学窗口转变规模非
？
，若是电解质的化学稳固性欠好
，容易在正极质料外貌氧化剖析
，影响电解质的离子电导率。电解液的热稳固性则对锂离子电池的清静性和循环寿命有很是大的影响
，由于电解质受热剖析时会爆发许多气体
，一方面临电池清静组成隐患
，另一方面有些气体对负极外貌的SEI膜爆发破损作用
，影响其循环性能。

因此
，选择具有较高的锂离子传导能力、优异的化学稳固性和热稳固性、且与电极质料匹配的电解质是提高锂离子电池倍率性能的一个主要偏向。

3. 降低电池的内阻

这里涉及到几种差别的物质和物质之间的界面
，它们所形成的电阻值
，但都会对离子/电子的传导爆发影响。

一样平常在正极活性物质内部会添加导电剂
，从而降低活性物质之间、活性物质与正极基体/集流体的接触电阻
，改善正极质料的电导率(离子和电子电导率)
，提升倍率性能。差别质料差别形状的导电剂
，都会对电池的内阻爆发影响
，进而影响其倍率性能。

正负极的集流体(极耳)是锂离子电池与外界举行电能转达的载体
，集流体的电阻值对电池的倍率性能也有很大的影响。因此
，通过改变集流体的材质、尺寸巨细、引出方法、毗连工艺等
，都可以改善锂离子电池的倍率性能和循环寿命。

电解质与正负极质料的浸润水平
，会影响电解质与电极界面处的接触电阻
，从而影响电池的倍率性能。电解质的总量、粘度、杂质含量、正负极质料的孔隙等
，都会改变电解质与电极的接触阻抗
，是改善倍率性能的主要研究偏向。

锂离子电池在第一次循环的历程中
，随着锂离子嵌入负极
，在负极会形成一层固态电解质(SEI)膜
，SEI膜虽然具有优异的离子导电性
，可是仍然会对锂离子的扩散有一定的阻碍作用
，尤其是大倍率充放电的时间。随着循环次数的增添
，SEI膜会一直脱落、剥离、沉积在负极外貌
，导致负极的内阻逐渐增添
，成为影响循环倍率性能的因素。因此
，控制SEI膜的转变
，也能够改善锂离子电池恒久循环历程中的倍率性能。

别的
，隔离膜的吸液率和孔隙率也对锂离子的通过性有较大的影响
，也会一定水平上影响锂离子电池的倍率性能(相对较小)。