鋰電池-設計基礎知識

一：鋰電池發展目標

1、更快的充電速度，當前智能手機的充電倍率普遍在1C，而最大充電倍率已經達到6C，最快16min即可將手機充至滿電；

2、更高的能量密度，目前4.45V體系平臺已經成熟商業化，4.48V甚至更高的電壓平臺成為了熱門的研究方向；

3、更長的循環壽命，過去幾年3C鋰離子電池的使用壽命要求為500次循環，而目前各大廠商已經將其提高至800次循環。

在鋰離子電池中，Li主要包括Li+從正極材料中脫出、Li+在電解液中遷移、Li+通過隔膜、Li+嵌入負極以及Li+在負極材料內部的擴散。提高鋰離子電池的性能一般需要考慮：

（1）負極材料

石墨材料具有二維層狀結構以及低電壓平臺等優勢，層間C-C間距可達0.340nm，且Li+可嵌入石墨的層間，形成層間化合物LixC6，成為最常用的負極材料之一。

石墨的層狀結構使得Li+必須從石墨的端頭嵌入，繼而擴散至顆粒內部，增長了擴散路徑。小的層間距使得Li+的擴散速率較低，在進行大倍率充電時，Li+容易在石墨表面沉積形成大量鋰枝晶，造成安全隱患。常用表面包覆改性來改善材料的性能。

軟硬碳的層間距比石墨稍大，有利于鋰離子的擴散，通常石墨表層包覆軟硬碳改善石墨的電化學性能，即通過表面修飾作用，在石墨表面形成無定形結構的碳層，增加了鋰離子通道，改善鋰離子擴散，提升其倍率性能。在設計鋰離子電池時，通常采用小顆粒以及軟硬碳包覆的負極材料。

（2 ）電解液

高濃度電解液表現出優異的倍率性能。為了更好地實現電池性能，應選擇具有高濃度、高電導率以及低粘度的電解液。

（3 ）隔膜

隔膜的質量決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的倍率、循環以及安全性能等特性。為確保隔膜具有電子絕緣性、低電阻、高離子電導率、耐電解液腐蝕、高浸潤性等性能，在選用隔膜時主要考察隔膜的厚度、孔隙率、透氣率、浸潤度、孔徑、穿刺強度和熱穩定性等指標。其中隔膜的厚度、孔隙率和透氣度對鋰離子電池快充影響較大。厚度薄，孔隙率大，透氣度高時，鋰離子從正極傳輸到負極的阻礙就小，充電過程中的極化作用就小。隔膜的厚度和孔隙率影響著鋰離子電池的充電性能。在設計電池時，一般選擇薄的和高孔隙率的隔膜。

（4）極耳結構

鋰離子電池的內部結構根據其制作方式主要分為4種：普通結構、極耳中置結構、多極耳結構、疊片結構。

極耳的位置對于鋰離子電池內阻以及倍率有明顯的影響，極耳處于正負極的中間時，電池的內阻以及倍率性能最好，其性能接近疊片工藝的電池。

在電池倍率性能方面，二者的小倍率性能差異不大，大倍率差異明顯。其主要原因是極耳中置結構極耳在極片的中部，放電過程中電子從中間向兩端擴散，電流較小時，載體通過電子能力足夠，而大倍率時，電子數目過多，通道阻塞，導致其大倍率性能差，同時極片也會產熱，導致其循環性能差。

多極耳結構的優勢有：進一步降低電池阻抗，提高電池大倍率充放電性能，支持5C~10C放電；有效降低電池高倍率放電下的溫升，10C放電電池表面溫升低于20℃；電池溫度低，顯著增加電池循環使用壽命。多極耳卷繞電池的內阻比極耳中置電池小很多，其恒流充電容量占總容量的百分比也較大。

相比多極耳卷繞，疊片電池每層都引出一個極耳，此種結構制作的電池快充性能是目前各種結構中最高的。

（5）設計因素

鋰離子電池的性能與電池的設計有密切的關系，極片涂布量、壓實密度、銅箔鋁箔的厚度、極耳的尺寸、極片的寬窄等均對電池的快充性能有很大的影響。電池面密度以及壓實密度對電池的倍率、循環等性能影響比較明顯，快充型鋰離子電池需要低面密度設計，而壓實密度過高或者過低均會導致其性能差，壓實密度過高，極片活性物質被“壓死”，導致其循環容量迅速跳水，而壓實密度過低，導致其活性物質之間的接觸不夠，電池的阻抗較大，導致其性能較差。

不同箔材厚度對于鋰離子電池性能的影響，厚的箔材由于其導電性更好，電池的阻值、倍率等性能均優于薄箔材，但是由于其厚度增加，勢必會導致電池能量密度的降低。另外，電池極片的長短、寬度以及電池的大小也會對電池的性能有一定的影響。

（6）其他因素

構建導電網絡能夠優化電極材料的電學性能，對實現鋰電池具有現實意義。

粘結劑作為鋰離子電池的輔料，在電池中的用量非常少，但其對于電池性能的影響非常大，其主要作用是改善電池的阻值，提升電池的性能以及壽命。通過采用不同的合成方法以及調整SBR的表面可以提升電解液對于SBR的浸潤性，達到提升電池的低溫以及倍率性能的目的。

通過對鋰離子電池集流體進行導電涂層改性，集流體與鋰離子電池的活性物質之間的粘結力大幅度提升，電池的阻抗明顯減小，可以明顯提升鋰離子電池的大倍率充放電性能。另外，在實際使用過程中，改性載體的使用還可以改善極片頭尾厚度差異大的問題，可以進一步提升鋰離子電池的壽命。

鋰離子電池的充電過程分成兩步，第一步恒流充電至電池最大電壓，第二步是在該電壓下恒壓充電，恒壓充電過程中電流逐漸減小，當電流減小至設定電流時即結束充電，恒壓充電階段時間長且充入的容量少，高壓過充的思路就是減小恒壓充電，增大恒流充電比例。

來源：網絡

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