如何提升電池的循環(huán)壽命
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-09 19:00
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電池設計自下而上分為材料級、電極級、電池級和系統(tǒng)級四個層次，每個層次的設計都會對鋰離子電池的使用壽命產(chǎn)生顯著的影響。
1.材料設計
首先我們來看電池材料的選擇，鋰離子電池的材料設計主要包括正負極活性物質(zhì)、電解液、導電劑和粘接劑的選擇，合適的設計能夠有效的減少界面副反應，提升鋰離子電池的循環(huán)壽命，例如在高鎳NCM材料的設計中如果采用梯度濃度設計能夠有效的改善高鎳材料的循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性，采用單晶材料替代原有的二次顆粒材料也能夠有效的改善循環(huán)穩(wěn)定性，對于電解液設計而言合適的添加劑能夠在電極表面生成更加穩(wěn)定的界面膜，例如研究表明在電解液中添加FEC能夠有效的減少SEI膜的生長，進而減少活性Li的損失，提升電池的循環(huán)壽命。
2.電極設計
不僅材料的選擇對于鋰離子電池的壽命非常重要，正負極電極的設計對于鋰離子電池的壽命同樣存在重要的影響，例如活性物質(zhì)/導電劑/粘結(jié)劑的配比和電極的涂布厚度等參數(shù)都會顯著的影響鋰離子電池的壽命。
對于正負極設計而言，一個重要的參數(shù)就是負極與正極容量之間的比例，也就是我們通常所說的N/P比，這一比值通常大于1，這樣有利于避免負極析鋰，提升鋰離子電池的壽命和安全性，但是在N/P設計時還要考慮首次充電過程中SEI生成時對Li的消耗，過高的N/P比設計會導致過量的Li消耗，從而導致首次庫倫效率的降低。
活性物質(zhì)顆粒直徑的選擇也非常重要，隨著活性物質(zhì)顆粒直徑的降低，雖然電池的功率性能會有所上升，但是由于材料的比表面積的升高，會導致電極的副反應增加，影響鋰離子電池的壽命。并且隨著顆粒直徑的降低也會導致電極的壓實密度的降低，進而影響鋰離子電池的能量密度，但是小顆粒能夠減少電極體積膨脹對于材料本身的破壞，這對于提升材料（特別是Si材料）的循環(huán)壽命非常重要，因此對于鋰離子電池而言正負極活性物質(zhì)的顆粒粒徑的選擇也是一個非常重要的內(nèi)容。
電極的孔隙率也是電極設計的一個重要參數(shù)，提高電極的孔隙率有助于t提高Li+在電極內(nèi)的擴散速度，從而提升鋰離子電池的功率性能，但是較高的孔隙率也會導致活性物質(zhì)之間接觸較弱，從而導致電子阻抗較大，同時較高的孔隙率也不利于鋰離子電池的能量密度的提升。
電極厚度的設計可以說是一個非常重要的參數(shù)，小的電極厚度有利于Li+的擴散，從而提升鋰離子電池的倍率性能，但是也會導致銅箔/鋁箔集流體等非活性物質(zhì)在電池中占比過大，影響鋰離子電池的能量密度，因此高能量密度鋰離子電池的設計通常最為有效的辦法就是提升電極的涂布厚度，但是過厚的電極也會引起電池極化的增加，影響電池的性能，同時也更容易導致負極表面析鋰，影響鋰離子電池的壽命。
3.單體電池設計
電芯結(jié)構(gòu)大體上可以分為兩類：1）疊片式結(jié)構(gòu)；2）卷繞式結(jié)構(gòu)（如下圖所示），卷繞式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率高，但是在邊緣彎曲處會形成較大的應力和變形，這會導致電極內(nèi)部Li濃度的分布不均，影響鋰離子電池使用壽命和安全性。疊片式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率較低，但是極片受力更加均勻，因此一致性更好。
鋰離子電池從外形上可以大致分為三類：1）圓柱形電池；2）方形電池；3）軟包電池，通常我們認為圓柱形電池由于散熱面積相對較少，容易在電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量積累，而方形電池和軟包電池散熱效果相對較好，但是圓柱形電池受力較為均勻，因此使用中不容易變形，而方形電池和軟包電池受到的約束力相對較小，因此在使用中容易發(fā)生變形，影響電池的正常使用。
4.單體電池設計
系統(tǒng)設計對于鋰離子電池的使用壽命同樣重要，鋰離子電池成組模式“有先并后串”和“先串后并”兩種模式，基于安全性和可靠性的考慮目前鋰離子電池組設計通常采用“先并后串”的模式。
在單體電池組合時為了穩(wěn)定電池組的結(jié)構(gòu)，通常需要施加一定的壓力，而壓力大小對于鋰離子電池的循環(huán)壽命有著一定的影響，研究表明施加一定程度的壓力有利于提升電極之間的接觸，從而改善電池的使用壽命，但是當壓力過高時由于電池內(nèi)阻增加，引起負極極化的增加，從而導致負極析鋰等問題，使得鋰離子電池壽命在較大壓力下急劇衰降，因此選擇合適的壓力對于鋰離子電池的壽命提升同樣重要。
