钜大LARGE | 点击量：1062次 | 2023年10月11日
锂电池两大性能指标：能量密度和充放电倍率
接下来的内容，我们将就锂电池和能量相关的两个关键指标：能量密度和充放电倍率，展开一些简短的论述。
简析锂电池的两大性能指标：能量密度和充放电倍率
能量密度，是单位体积或重量可以存储的能量多少，这个指标当然是越高越好，凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率，是能量存储和释放的速度，最好是秒速，瞬间存满或释放，召之即来挥之即去。
当然，这些都是理想，实际上受制于各种各样的现实因素，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。如何不断的突破这些限制，达到更高的等级，就是要我们去解决的难题。
五、锂电池的能量密度
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
可以说，能量密度是制约当前锂电池发展的最大瓶颈。不管是手机，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的重要因素。
简析锂电池的两大性能指标：能量密度和充放电倍率
从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂电池，能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相有关工业规模的发展速度而言，相有关人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。甚至有人戏言，人类的进步都被卡在"电池"这儿了。当然，假如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(像手机信号相同)，那么人类也就不再要电池了，社会发展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产业政策目标，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定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标，则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，电池行业必须要有化学体系的重大突破，才有可能实现这一目标。
影响锂电池能量密度的因素有很多，就锂电池现有的化学体系和结构而言，具体都有什么明显的限制呢？
前面我们分析过，充当电能载体的，其实就是电池当中的锂元素，其他物质都是"废物"，可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体，这些"废物"又是不可或缺的。举个例子，一块锂电池当中，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天赋，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩下的99%就是绿叶，少了哪个都不行。
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(不能变少了)，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，重要是为了提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了(其他条件不变)，能量密度也会有相应的提升。所以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
这个其实是为了配合正极活性物质的新增，要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。假如负极活性物质不够，多出来的锂离子会沉积在负极表面，而不是嵌入内部，出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。
3.提高正极材料的比容量(克容量)
正极活性物质的占比是有上限的，不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参和化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相有关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不同的正极材料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元材料，都是奔着这个目标去的。
前面已经分析过，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。假如要再往上提升，就要研究新的正极材料，并取得产业化进展。
4.提高负极材料的比容量
相对而言，负极材料的比容量还不是锂电池能量密度的重要瓶颈，但是假如进一步提升负极的比容量，则意味着以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。
以石墨类碳材料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，这些都是当前研究的热点方向。
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、壳体材料等，都是锂电池的"死重"，占整个电池重量的比例在40%左右。假如能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂电池的能量密度。
在这方面做文章，就要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析，从而找出合理的方法。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。
从以上的分析可以看出，提升锂电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短时间、中期和长期的解决方法。
六、锂电池的充放电倍率
锂电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。当然，这个存储和释放的过程是可控的，是安全的，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，显得尤为重要。设想一下，假如你开着一辆电动汽车去办事，半路发现快没电了，找个充电站充电，充了一个小时还没充满，估计要办的事情都耽误了。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，但是却是当前锂电池的现状，充电耗时久，放电也不能太猛，否则电池就会很快衰老，甚至有可能发生安全问题。但是在许多的应用场合，我们都要电池具有大倍率的充放电性能，所以我们又一次卡在了"电池"这儿。为了锂电池获得更好的发展，我们有必要搞清楚，都是什么因素在限制电池的倍率性能。
简析锂电池的两大性能指标：能量密度和充放电倍率
锂电池的充放电倍率性能，和锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素(这些影响因子也可等效为电池的内阻)，都会影响锂电池的充放电倍率性能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素，假如散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂电池的安全性和寿命。因此，研究和改善锂电池的充放电倍率性能，重要从提高锂离子迁移速度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/负极活性物质里面跑出来的速度，或者从正/负极表面进入活性物质内部找个位置"安家"的速度到底有多快，这是影响充放电倍率的一个重要因素。
举个例子，全球每年都有会很多的马拉松比赛，虽然大家基本同一时间出发，可是道路宽度有限，参和的却人很多(有时多达上万人)，造成相互拥挤，加上参和人员的身体素质参差不齐，比赛的队伍最后会变成一个超长的战线。有人很快到达终点，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，和马拉松比赛基本差不多，跑得慢的，跑得快的都有，加上各自选择的道路长短不一，严重制约了比赛结束的时间(所有人都跑完)。所以呢，我们不希望跑马拉松，最好大家都跑百米，距离足够短，所有人都可以快速达到终点，另外，跑道要足够的宽，不要相互拥挤，道路也不要曲折蜿蜒，直线是最好的，要降低比赛难度。如此一来，裁判一声令响，千军万马一起奔向终点，比赛快速结束，倍率性能优异。
在正极材料处，我们希望极片要足够的薄，也就是活性材料的厚度要小，这样等于缩短了赛跑的距离，所以希望尽可能的提高正极材料压实密度。在活性物质内部，要有足够的孔间隙，给锂离子留出比赛的通道，同时这些"跑道"分布要均匀，不要有的地方有，有的地方没有，这就要优化正极材料的结构，改变粒子之间的距离和结构，做到均匀分布。以上两点，其实是相互矛盾的，提高压实密度，虽然厚度变薄，但是粒子间隙会变小，跑道就会显得拥挤，反之，保持一定的粒子间隙，不利于把材料做薄。所以要寻找一个平衡点，以达到最佳的锂离子迁移速率。
此外，不同材料的正极物质，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比较高的正极材料，也是改善倍率性能的重要方向。
负极材料的处理思路，和正极材料类似，也是重要从材料的结构、尺寸、厚度等方面着手，减小锂离子在负极材料中的浓度差，改善锂离子在负极材料中的扩散能力。以碳基负极材料为例，近年来针对纳米碳材料的研究(纳米管、纳米线、纳米球等)，取代传统的负极层状结构，就可以显著的改善负极材料的比表面积、内部结构和扩散通道，从而大幅度提升负极材料的倍率性能。
2.提高电解质的离子电导率
锂离子在正/负极材料里面玩的是赛跑，在电解质里面的比赛项目却是游泳。
游泳比赛，如何降低水(电解液)的阻力，就成为速度提升的关键。近年来，游泳运动员普遍穿着鲨鱼服，这种泳衣可以极大的降低水在人体表面形成的阻力，从而提高运动员的比赛成绩，并且成为非常有争议的话题。
锂离子要在正、负极之间来回穿梭，就如同在电解质和电池壳体所构成的"游泳池"里面游泳，电解质的离子电导率如同水的阻力相同，对锂离子游泳的速度有非常大的影响。目前锂电池所采用的有机电解质，不管是液体电解质，还是固体电解质，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重要组成部分，对锂电池高倍率性能的影响不容忽视。
除了提高电解质的离子电导率之外，还要着重关注电解质的化学稳定性和热稳定性。在大倍率充放电时，电池的电化学窗口变化范围非常宽，假如电解质的化学稳定性不好，容易在正极材料表面氧化分解，影响电解质的离子电导率。电解液的热稳定性则对锂电池的安全性和循环寿命有非常大的影响，因为电解质受热分解时会出现很多气体，一方面对电池安全构成隐患，另一方面有些气体对负极表面的SEI膜出现破坏用途，影响其循环性能。
因此，选择具有较高的锂离子传导能力、良好的化学稳定性和热稳定性、且和电极材料匹配的电解质是提高锂电池倍率性能的一个重要方向。
3.降低电池的内阻
这里涉及到几种不同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/电子的传导出现影响。
一般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、活性物质和正极基体/集流体的接触电阻，改善正极材料的电导率(离子和电子电导率)，提升倍率性能。不同材料不同形状的导电剂，都会对电池的内阻出现影响，进而影响其倍率性能。
正负极的集流体(极耳)是锂电池和外界进行电能传递的载体，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、尺寸大小、引出方式、连接工艺等，都可以改善锂电池的倍率性能和循环寿命。
电解质和正负极材料的浸润程度，会影响电解质和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、正负极材料的孔隙等，都会改变电解质和电极的接触阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。
锂电池在第一次循环的过程中，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膜虽然具有良好的离子导电性，但是仍然会对锂离子的扩散有一定的阻碍用途，尤其是大倍率充放电的时候。随着循环次数的新增，SEI膜会不断脱落、剥离、沉积在负极表面，导致负极的内阻逐渐新增，成为影响循环倍率性能的因素。因此，控制SEI膜的变化，也能够改善锂电池长期循环过程中的倍率性能。
此外，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，也会一定程度上影响锂电池的倍率性能(相对较小)。
