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。

 

 

 

　　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。

 

 

 

　　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(shí)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(shí)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(diǎn)，其實(shí)是相互矛盾的，提高壓實(shí)密度，雖然厚度變薄，但是粒子間隙會(huì)變小，跑道就會(huì)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(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到最佳的鋰離子遷移速率。

 

 

 

　　此外，不同材料的正極物質(zhì)，對(duì)鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)有顯著影響。因此，選擇鋰離子擴(kuò)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(fù)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(fù)極材料中的濃度差，改善鋰離子在負(fù)極材料中的擴(kuò)散能力。以碳基負(fù)極材料為例，近年來針對(duì)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(fù)極層狀結(jié)構(gòu)，就可以顯著的改善負(fù)極材料的比表面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散通道，從而大幅度提升負(fù)極材料的倍率性能。

 

 

 

　　2.提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率

 

 

 

　　鋰離子在正/負(fù)極材料里面玩的是賽跑，在電解質(zhì)里面的比賽項(xiàng)目卻是游泳。

 

 

 

　　游泳比賽，如何降低水（電解液）的阻力，就成為速度提升的關(guān)鍵。近年來，游泳運(yùn)動(dòng)員普遍穿著鯊魚服，這種泳衣可以極大的降低水在人體表面形成的阻力，從而提高運(yùn)動(dòng)員的比賽成績，并且成為非常有爭議的話題。

 

 

 

　　鋰離子要在正、負(fù)極之間來回穿梭，就如同在電解質(zhì)和電池殼體所構(gòu)成的“游泳池”里面游泳，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率如同水的阻力一樣，對(duì)鋰離子游泳的速度有非常大的影響。目前鋰離子電池所采用的有機(jī)電解質(zhì)，不管是液體電解質(zhì)，還是固體電解質(zhì)，其離子電導(dǎo)率都不是很高。電解質(zhì)的電阻成為整個(gè)電池電阻的重要組成部分，對(duì)鋰離子電池高倍率性能的影響不容忽視。

 

 

 

　　除了提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率之外，還需要著重關(guān)注電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在大倍率充放電時(shí)，電池的電化學(xué)窗口變化范圍非常寬，如果電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性不好，容易在正極材料表面氧化分解，影響電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。電解液的熱穩(wěn)定性則對(duì)鋰離子電池的安全性和循環(huán)壽命有非常大的影響，因?yàn)殡娊赓|(zhì)受熱分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多氣體，一方面對(duì)電池安全構(gòu)成隱患，另一方面有些氣體對(duì)負(fù)極表面的SEI膜產(chǎn)生破壞作用，影響其循環(huán)性能。

 

 

 

　　因此，選擇具有較高的鋰離子傳導(dǎo)能力、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、且與電極材料匹配的電解質(zhì)是提高鋰離子電池倍率性能的一個(gè)重要方向。

 

 

 

　　3.降低電池的內(nèi)阻

 

 

 

　　這里涉及到幾種不同的物質(zhì)和物質(zhì)之間的界面，它們所形成的電阻值，但都會(huì)對(duì)離子/電子的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響。

 

 

 

　　一般在正極活性物質(zhì)內(nèi)部會(huì)添加導(dǎo)電劑，從而降低活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與正極基體/集流體的接觸電阻，改善正極材料的電導(dǎo)率（離子和電子電導(dǎo)率），提升倍率性能。不同材料不同形狀的導(dǎo)電劑，都會(huì)對(duì)電池的內(nèi)阻產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其倍率性能。

 

 

 

　　正負(fù)極的集流體（極耳）是鋰離子電池與外界進(jìn)行電能傳遞的載體，集流體的電阻值對(duì)電池的倍率性能也有很大的影響。因此，通過改變集流體的材質(zhì)、尺寸大小、引出方式、連接工藝等，都可以改善鋰離子電池的倍率性能和循環(huán)壽命。

 

 

 

　　電解質(zhì)與正負(fù)極材料的浸潤程度，會(huì)影響電解質(zhì)與電極界面處的接觸電阻，從而影響電池的倍率性能。電解質(zhì)的總量、粘度、雜質(zhì)含量、正負(fù)極材料的孔隙等，都會(huì)改變電解質(zhì)與電極的接觸阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。

 

 

 

　　鋰離子電池在第一次循環(huán)的過程中，隨著鋰離子嵌入負(fù)極，在負(fù)極會(huì)形成一層固態(tài)電解質(zhì)（SEI）膜，SEI膜雖然具有良好的離子導(dǎo)電性，但是仍然會(huì)對(duì)鋰離子的擴(kuò)散有一定的阻礙作用，尤其是大倍率充放電的時(shí)候。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，SEI膜會(huì)不斷脫落、剝離、沉積在負(fù)極表面，導(dǎo)致負(fù)極的內(nèi)阻逐漸增加，成為影響循環(huán)倍率性能的因素。因此，控制SEI膜的變化，也能夠改善鋰離子電池長期循環(huán)過程中的倍率性能。