什么方法可以提升锂离子电池倍率性能

1.材料选择

通常而言提升动力锂电池倍率性能重要是从材料的选择上入手，例如我们之前曾在文章《离子导电、电子导电傻傻分不清楚？你想了解的都在这里！》介绍过目前常见的高镍三元材料与传统的钴酸锂材料的离子和电子电导率比较【1】，常温20℃下，LCO材料的电子电导率最低仅为5x10-8S/cm，而NCM111材料电子电导率可达2.2x10-6S/cm，随着镍含量的进一步提高，三元材料的电子电导率也明显提高，NCM8111材料的电子电导率更是达到4.1x10-3S/cm，离子电导率方面也表现出了同样的趋势，LCO材料在20℃下，离子电导率仅为2.3x10-7S/cm，而NCM111材料离子电导率为3.2x10-6S/cm，NCM532位1.7x10-3S/cm，NCM622位3.4x10-3S/cm，NCM811材料更是达到了6.3x10-3S/cm，因此无论是从电子电导率还是离子电导率上来看三元材料，特别是高镍三元材料或者NCA材料都更加适合倍率型锂离子电池，当然除了材料的这些本征特性外，其倍率性能还受到形貌等多重因素的影响，例如小颗粒的材料表面积更大，Li+在颗粒内部的扩散距离更短，因此理论上会具有更好的倍率性能。

负极材料的选择种类比较多，例如小颗粒的中间相类的石墨材料，在倍率性能上都有较好的表现，澳大利亚联邦科学与工业组织（CSIRO）的能源技术部S.R.Sivakkumar,J.Y.Nerkar,A.G.Pandolfo【5】对不同类型和粒径的石墨材料进行评估表明，石墨材料的颗粒粒径越小则倍率性能越高，降低石墨表面涂层厚度也能够提升石墨负极的倍率性能。但是粒径缩小也带来了一系列的问题，例如可逆容容量的降低和压实密度的下降，同时研究也表明虽然上述措施能够提高石墨负极的放电倍率性能，但是却难以有效的提升石墨负极的充电倍率性能。

Li4Ti5O12材料本身具有较高的Li+扩散系数（10-16-10-15m2/S）【2】，同时钛酸锂离子电池材料因为电导率较低，生产中往往会制成纳米级的颗粒，因此进一步增大了活性面积，降低了Li+的扩散距离，钛酸锂离子电池因此具有非常优异的倍率性能，能够实现快速充电，这也正是董明珠看中银隆的原因，然而钛酸锂材料的电压平台为1.55V，理论可逆容量为170mAh/g，导致电池比能量较低，严重影响了电动汽车的续航里程，这也是导致银隆近期陷入危机的根源所在，正所谓成也萧何，败也萧何。为了解决钛酸锂存在的这些问题，同时保留其高倍率性能的优势，科研工作者做了大量的努力，日本东芝公司【3】开发的铌钛氧化合物NTO新型负极材料，该材料的可逆容量可达341mAh/g远远高于LTO材料，接近石墨材料，但是凭借着高压实密度的优势，在体积能量密度达到了石墨负极的两倍，同时该材料还保留了快速充电的特性，从0%SoC充电到90%SoC最快仅仅要6min，几乎完美满足了电动汽车的需求，目前东芝公司已经宣布和双日公司Sojitz、巴西矿山公司CBMM达成了合作协议，共同开发生产该材料。

英国剑桥大学作为世界优秀学府，也在致力于开发高容量、大倍率的高性能锂离子电池负极材料，在最近发表在Nature的一篇文章中KentJ.Griffith【4】介绍了剑桥大学的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料，这两种材料在C/5倍率下可逆容量超过200mAh/g，Li+在两种材料中的扩散系数达到10-13-10-12m2/S，远远高于LTO（10-16-10-15m2/S）材料，因此能够微米级颗粒尺寸上就实现优异的倍率性能，较大的颗粒不仅降低了活性物质/电解液界面面积，减少了副反应的发生，更是大大新增了材料的压实密度，因此两种材料在单位体积容量方面表现异常出色，碾压所有负极材料。

2.配方优化

决定锂离子电池倍率性能的另外一个关键在于电池的配方设计，在锂离子电池内部存在离子导电和电子导电两种导电形式，其中离子导电重要包括Li+在电解液、电极内部孔隙和活性物质内部的扩散，电子导电重要是活性物质颗粒之间的导电，细分的话电子导电还可以分为短程导电和长程导电，例如以炭黑为代表的导电剂重要负责的是短程导电，以碳纤维、碳纳米管为代表的导电剂重要负责长程导电。锂离子电池的倍率性能是几种导电形式的综合体现，美国德雷赛尔大学的SamanthaL.Morelly等【6】的研究表明，影响锂离子电池倍率性能的关键不在于我们通常认为的离子扩散过程，更多的是依赖于电子导电性，例如加入3%炭黑的电极的倍率性能就要明显好于2.5%的电极，但是按照离子传输限制理论，更多的炭黑意味着更加曲折的Li+扩散通道，反而会降低锂离子电池的倍率性能，同时该研究表明相比于长程导电，吸附在NCM颗粒表面的炭黑供应的短程导电关于提升锂离子的电池的倍率性能的用途更大。

单纯的做到高倍率性能并不难，难就难在倍率性能与能量密度的兼顾，一般而言倍率性能和能量密度之间是相互矛盾的，在两者之间找到一个平衡是非常困难的，日本东京农工大学的KazuakiKisu等【7】通过分析不同涂布厚度和压实密度的NCM电极的阻抗的方式得到了最佳的涂布厚度和压实密度的组合（70um和2.9g/cm3），在压实密度过高时会导致电极孔隙率急剧下降，导致离子扩散阻抗新增，而压实密度较低时又会导致接触阻抗的新增，因此只有合适的压实密度才能在保证锂离子电池优异的倍率性能的同时也兼顾了高能量密度的特性。

3.电池结构的选择

关于倍率性电池如何控制放电过程中的温度也是一个非常重要的问题，在大电流放电过程中锂离子电池会出现大量的热量，热量在锂离子电池内部的积累会导致温度的升高，出现较大的温度梯度，因此锂离子电池内部衰降的不一致，影响锂离子电池的寿命。如何选择一个合适的结构就变的尤为重要，德国慕尼黑工业大学的StephanKosch等【8】通过二维电-热极化模型对锂离子电池极耳的形状和位置对大尺寸锂离子电池的热特性的影响研究发现，极耳的宽度和集流体的厚度都会对锂离子电池在放电过程中的温度分布出现影响，极耳越窄、集流体越薄则电池内的温度分布不均匀性越大，同时还发现当将电池的极耳放在电池的两端时能够有效的减少放电过程中电池内部温度的不均匀性。