簡(jiǎn)析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-02 13:24
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能量密度，是單位體積或重量可以存儲(chǔ)的能量多少，這個(gè)指標(biāo)當(dāng)然是越高越好，凡是濃縮的都是精華嘛。充放電倍率，是能量存儲(chǔ)和釋放的速度，最好是秒速，瞬間存滿或釋放，召之即來揮之即去。
當(dāng)然，這些都是理想，實(shí)際上受制于各種各樣的現(xiàn)實(shí)因素，我們既不可能獲得無限的能量，也不可能實(shí)現(xiàn)能量的瞬間轉(zhuǎn)移。如何不斷的突破這些限制，達(dá)到更高的等級(jí)，就是需要我們?nèi)ソ鉀Q的難題。
五、 鋰離子電池的能量密度
可以說，能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。不管是手機(jī)，還是電動(dòng)汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達(dá)到一個(gè)全新的量級(jí)，使得產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。
簡(jiǎn)析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升?？墒翘嵘乃俣认鄬?duì)于工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，相對(duì)于人類對(duì)能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得電能(像手機(jī)信號(hào)一樣)，那么人類也就不再需要電池了，社會(huì)發(fā)展自然也就不會(huì)卡在電池上面。
針對(duì)能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國(guó)都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國(guó)政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達(dá)到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學(xué)體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
前面我們分析過，充當(dāng)電能載體的，其實(shí)就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個(gè)例子，一塊鋰離子電池當(dāng)中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點(diǎn)，其余99%的成分都是不承擔(dān)能量存儲(chǔ)功能的其他物質(zhì)。愛迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來這個(gè)道理放之四海皆準(zhǔn)啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個(gè)都不行。
那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時(shí)要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來，移動(dòng)到負(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極(不能變少了)，周而復(fù)始的搬運(yùn)能量。
1. 提高正極活性物質(zhì)的占比
提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了(其他條件不變)，能量密度也會(huì)有相應(yīng)的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。
2. 提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比
這個(gè)其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲(chǔ)能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來的鋰離子會(huì)沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)和電池容量衰減。
3. 提高正極材料的比容量(克容量)
正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對(duì)于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)要高。
這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個(gè)目標(biāo)去的。
前面已經(jīng)分析過，鈷酸鋰可以達(dá)到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實(shí)際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元?jiǎng)t可以達(dá)到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
4. 提高負(fù)極材料的比容量
相對(duì)而言，負(fù)極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進(jìn)一步提升負(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。
以石墨類碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個(gè)很高的量級(jí)，這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。
5. 減重瘦身
除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。
簡(jiǎn)析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
在這方面做文章，就需要針對(duì)電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，從而找出合理的方案。各個(gè)方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個(gè)幅度。
從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的解決方案。
六、 鋰離子電池的充放電倍率
鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。當(dāng)然，這個(gè)存儲(chǔ)和釋放的過程是可控的，是安全的，不會(huì)顯著影響電池的壽命和其他性能指標(biāo)。
倍率指標(biāo)，在電池作為電動(dòng)工具，尤其是電動(dòng)交通工具的能量載體時(shí)，顯得尤為重要。設(shè)想一下，如果你開著一輛電動(dòng)車去辦事，半路發(fā)現(xiàn)快沒電了，找個(gè)充電站充電，充了一個(gè)小時(shí)還沒充滿，估計(jì)要辦的事情都耽誤了。又或者你的電動(dòng)汽車在爬一個(gè)陡坡，無論怎么踩油門(電門)，車子卻慢的像烏龜，使不上勁，自己恨不得下來推車。
顯然，以上這些場(chǎng)景都是我們不希望看到的，但是卻是當(dāng)前鋰離子電池的現(xiàn)狀，充電耗時(shí)久，放電也不能太猛，否則電池就會(huì)很快衰老，甚至有可能發(fā)生安全問題。但是在許多的應(yīng)用場(chǎng)合，我們都需要電池具有大倍率的充放電性能，所以我們又一次卡在了“電池”這兒。為了鋰離子電池獲得更好的發(fā)展，我們有必要搞清楚，都是哪些因素在限制電池的倍率性能。
簡(jiǎn)析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負(fù)極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關(guān)，一切影響鋰離子遷移速度的因素(這些影響因子也可等效為電池的內(nèi)阻)，都會(huì)影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外，電池內(nèi)部的散熱速率，也是影響倍率性能的一個(gè)重要因素，如果散熱速率慢，大倍率充放電時(shí)所積累的熱量無法傳遞出去，會(huì)嚴(yán)重影響鋰離子電池的安全性和壽命。因此，研究和改善鋰離子電池的充放電倍率性能，主要從提高鋰離子遷移速度和電池內(nèi)部的散熱速率兩個(gè)方面著手。
1. 提高正、負(fù)極的鋰離子擴(kuò)散能力
鋰離子在正/負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負(fù)極活性物質(zhì)里面跑出來的速度，或者從正/負(fù)極表面進(jìn)入活性物質(zhì)內(nèi)部找個(gè)位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個(gè)重要因素。
簡(jiǎn)析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
舉個(gè)例子，全球每年都有會(huì)很多的馬拉松比賽，雖然大家基本同一時(shí)間出發(fā)，可是道路寬度有限，參與的卻人很多(有時(shí)多達(dá)上萬人)，造成相互擁擠，加上參與人員的身體素質(zhì)參差不齊，比賽的隊(duì)伍最后會(huì)變成一個(gè)超長(zhǎng)的戰(zhàn)線。有人很快到達(dá)終點(diǎn)，有人晚到幾個(gè)小時(shí)，有人跑到昏厥，半路就歇菜了。
鋰離子在正/負(fù)極的擴(kuò)散和移動(dòng)，與馬拉松比賽基本差不多，跑得慢的，跑得快的都有，加上各自選擇的道路長(zhǎng)短不一，嚴(yán)重制約了比賽結(jié)束的時(shí)間(所有人都跑完)。所以呢，我們不希望跑馬拉松，最好大家都跑百米，距離足夠短，所有人都可以快速達(dá)到終點(diǎn)，另外，跑道要足夠的寬，不要相互擁擠，道路也不要曲折蜿蜒，直線是最好的，要降低比賽難度。如此一來，裁判一聲令響，千軍萬馬一起奔向終點(diǎn)，比賽快速結(jié)束，倍率性能優(yōu)異。
