就鋰離子電池現(xiàn)有的化學體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？

 

　　前面我們分析過，充當電能載體的，其實就是電池當中的鋰元素，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。舉個例子，一塊鋰離子電池當中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點，其余99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質(zhì)。愛迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來這個道理放之四海皆準啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個都不行。

 

　　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，同時要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來，移動到負極，然后還得從負極原數(shù)返回正極(不能變少了)，周而復始的搬運能量。

 

　　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，在同一個電池化學體系中，鋰元素的含量上去了(其他條件不變)，能量密度也會有相應(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. 提高負極活性物質(zhì)的占比

 

　　這個其實是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲能量。如果負極活性物質(zhì)不夠，多出來的鋰離子會沉積在負極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學反應(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于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標要高。

 

　　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，都是奔著這個目標去的。

 

　　前面已經(jīng)分析過，鈷酸鋰可以達到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元則可以達到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)化進展?！?. 提高負極材料的比容量

 

　　相對而言，負極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進一步提升負極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達到提升能量密度的目標。

 

　　以石墨類碳材料做負極，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。錫基和硅基負極材料，也可以將負極的比容量提升到一個很高的量級，這些都是當前研究的熱點方向。

 

　　5. 減重瘦身

 

　　除了正負極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導電劑、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。

 

簡析鋰離子電池的兩大性能指標：能量密度與充放電倍率

 

　　在這方面做文章，就需要針對電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進行詳細的研究和分析，從而找出合理的方案。各個方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個幅度。

 

　　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)新材料和新化學體系這幾個方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。

 

　　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。當然，這個存儲和釋放的過程是可控的，是安全的，不會顯著影響電池的壽命和其他性能指標。

 

　　倍率指標，在電池作為電動工具，尤其是電動交通工具的能量載體時，顯得尤為重要。設(shè)想一下，如果你開著一輛電動車去辦事，半路發(fā)現(xiàn)快沒電了，找個充電站充電，充了一個小時還沒充滿，估計要辦的事情都耽誤了。又或者你的電動汽車在爬一個陡坡，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，以上這些場景都是我們不希望看到的，但是卻是當前鋰離子電池的現(xiàn)狀，充電耗時久，放電也不能太猛，否則電池就會很快衰老，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。簡析鋰離子電池的兩大性能指標：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重要因素，如果散熱速率慢，大倍率充放電時所積累的熱量無法傳遞出去，會嚴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)部的散熱速率兩個方面著手。

 

　　1. 提高正、負極的鋰離子擴散能力

 

　　鋰離子在正/負極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負極活性物質(zhì)里面跑出來的速度，或者從正/負極表面進入活性物質(zhì)內(nèi)部找個位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個重要因素。

 

　　舉個例子，全球每年都有會很多的馬拉松比賽，雖然大家基本同一時間出發(fā)，可是道路寬度有限，參與的卻人很多(有時多達上萬人)，造成相互擁擠，加上參與人員的身體素質(zhì)參差不齊，比賽的隊伍最后會變成一個超長的戰(zhàn)線。有人很快到達終點，有人晚到幾個小時，有人跑到昏厥，半路就歇菜了。

 

　　鋰離子在正/負極的擴散和移動，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短不一，嚴重制約了比賽結(jié)束的時間(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到終點，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，比賽快速結(jié)束，倍率性能優(yōu)異。在正極材料處，我們希望極片要足夠的薄，也就是活性材料的厚度要小，這樣等于縮短了賽跑的距離，所以希望盡可能的提高正極材料壓實密度。在活性物質(zhì)內(nèi)部，要有足夠的孔間隙，給鋰離子留出比賽的通道，同時這些“跑道”分布要均勻，不要有的地方有，有的地方?jīng)]有，這就要優(yōu)化正極材料的結(jié)構(gòu)，改變粒子之間的距離和結(jié)構(gòu)，做到均勻分布。以上兩點，其實是相互矛盾的，提高壓實密度，雖然厚度變薄，但是粒子間隙會變小，跑道就會顯得擁擠，反之，保持一定的粒子間隙，不利于把材料做薄。所以需要尋找一個平衡點，以達到最佳的鋰離子遷移速率。

 

　　此外，不同材料的正極物質(zhì)，對鋰離子的擴散系數(shù)有顯著影響。因此，選擇鋰離子擴散系數(shù)比較高的正極材料，也是改善倍率性能的重要方向。

 

　　負極材料的處理思路，與正極材料類似，也是主要從材料的結(jié)構(gòu)、尺寸、厚度等方面著手，減小鋰離子在負極材料中的濃度差，改善鋰離子在負極材料中的擴散能力。以碳基負極材料為例，近年來針對納米碳材料的研究(納米管、納米線、納米球等)，取代傳統(tǒng)的負極層狀結(jié)構(gòu)，就可以顯著的改善負極材料的比表面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和擴散通道，從而大幅度提升負極材料的倍率性能。