如何做好半固态电极，提升锂离子电池比能量？

根据《我国制造2025》的规划目标，2020年锂离子电池单体比能量达到300Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。提升能量密度是锂离子电池研究永恒的话题，行业内普遍认为，锂离子电池技术的近期目标是通过高镍三元正极、硅碳负极实现单体300wh/kg，中期(2025年)目标是基于富锂锰基/高容量Si—C负极，实现400wh/kg。

锂离子电池比能量的提升离不开材料技术的进步和生产工艺的提升。目前，关于锂离子电池的研究工作多集中在开发新的电极活性材料，隔膜和电解质材料，却很少关注电极和电池结构对电池性能的影响。比如通过优化电极的结构，可以提高电极的导电性和其对电解液的浸润性能，加快电子和离子在整个电极内部的传输速率，进而提升电池的能量密度和倍率性能。

提升涂布量是提升锂离子电池能量密度的有效方式，但是随着涂布量的上升，我们会发现锂离子电池的电性能，特别是倍率性能和循环性能出现了显著的下降，这重要是因为锂离子电池的电极是由颗粒组成的多孔结构，其中的孔隙复杂、迂曲度高，会显著新增锂离子在其中扩散的阻力。能量密度提高以后，电极设计问题更突出。活性物质在电池中的占比是影响电池比能量的一个重要因素。同样正负极材料，同样的克容量，假如一个电池里面活性物质质量占比较小的话，电池的能量密度就低。所以要提高能量密度，一定要从相同重量的电池里面尽量多地填充活性物质。活性物质多一定是辅助材料少，铜箔要减少、铝箔要减少；其实最重要的是将电极做厚，电极厚了，集流体和隔膜的用量也就减少了。然而，如何获得既具有良好的电子/离子传输特性，又具有较高活性物质负载量的厚电极是一个巨大的挑战。锂离子电池电极不能做厚，厚了之后电极表面极化就变大了，电极在厚度方向的利用率就降低，而且会造成充电过程中负极析锂、正极分解等问题。从提高能量密度来讲，希望越厚越好；但是极化理论告诉我们，电极越薄越好，这两者是完全矛盾的。随着能量密度提高，比如一个单体100wh/kg，现在变成300wh/kg，意味着单位重量的材料所承担的电流同步提高，因此关于高能量密度电池，保持功率性能是非常难的，所以高载量的电极设计技术越来越重要。

越靠近隔膜的时候液相电流是越大的，这个电流就是外部电流；沿着极片厚度方向，液相电流慢慢减少，固相电流逐渐新增。所以越靠近隔膜电极孔隙应该越高，越靠近电极的集流体，电极孔隙可以越低。所以，既要保证高能量密度、又要保证功率性能，如何解决这种矛盾呢？即将于2019年五月6-九日在深圳举办的“第四届全球锂电技术峰会”期间，大会主席张正铭先生邀请了在锂离子电池厚电极技术开发和应用方面取得突出成绩的日本电池专家大田直树先生（NaokiOta）到会做“半固态电极—下一代产品和制造平台”的专题演讲。

自2012年以来，大田直树一直是24M技术公司的首席技术官，是公认的锂离子电池全球专家，在锂离子电池行业拥有28年的经验。直树先生与人共同创建了Quallion公司,为医疗和特种航天行业服务。作为Ene1的首席技术官和首席运营官以及Ener1的总裁和首席运营官，直树先生在美国、韩国和我国领导混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、电动汽车和电网储能产品线和制造厂的运营。最近，他与国内某骨干动力锂电池公司合作，采用厚电极技术显著提升了磷酸铁锂离子电池的单体比能量。直树先生认为，自28年前索尼首次推出第一批锂离子电池以来，基本的产品设计和制造方法没有改变，但产品应用从消费电子快速转向市场规模更大的汽车和电网规模储能领域，市场要更可靠、更低成本和更灵活的平台来充分满足所有客户的需求。在本次论坛期间，直树先生将介绍24M公司采用半固态电极提高比能量的重要做法。他认为，聚合物粘合剂和湿涂层工艺是锂离子电池制造的当前标准。但是，24M一会在问粘合剂是否真的有必要，并且已经证明没有必要。粘合剂的使用是降低成本、提高安全性和提高能量密度的重要障碍。24M的半固态电极平台解决了这些问题，并供应了许多传统锂离子电池无法比拟的独特特性。

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