倍率提升大作戰:我們都有哪些方法提升鋰離子電池倍率性能

2021-01-07 第一電動網

對於動力鋰離子電池而言，我們關注最多的指標是能量密度和功率密度，能量密度關乎車輛的續航裡程，功率密度則關乎電動汽車的動力性能。如何提升鋰離子電池倍率性能各位設計師內心都有自己獨到的見解，小編鬥膽在這裡談一些我對提升鋰離子電池倍率性能的一些想法，希望能夠拋磚引玉。

1.材料選擇

通常而言提升動力電池倍率性能主要是從材料的選擇上入手，例如我們之前曾在文章《離子導電、電子導電傻傻分不清楚？你想知道的都在這裡！》介紹過目前常見的高鎳三元材料與傳統的鈷酸鋰材料的離子和電子電導率對比【1】，常溫20℃下，LCO材料的電子電導率最低僅為5x10-8S/cm，而NCM111材料電子電導率可達2.2x10-6S/cm，隨著鎳含量的進一步提高，三元材料的電子電導率也明顯提高，NCM8111材料的電子電導率更是達到4.1x10-3S/cm，離子電導率方面也表現出了同樣的趨勢，LCO材料在20℃下，離子電導率僅為2.3x10-7S/cm，而NCM111材料離子電導率為3.2x10-6S/cm，NCM532位1.7x10-3S/cm，NCM622位3.4x10-3S/cm，NCM811材料更是達到了6.3x10-3S/cm，因此無論是從電子電導率還是離子電導率上來看三元材料，特別是高鎳三元材料或者NCA材料都更加適合倍率型鋰離子電池，當然除了材料的這些本徵特性外，其倍率性能還受到形貌等多重因素的影響，例如小顆粒的材料表面積更大，Li+在顆粒內部的擴散距離更短，因此理論上會具有更好的倍率性能。

負極材料的選擇種類比較多，例如小顆粒的中間相類的石墨材料，在倍率性能上都有較好的表現，澳大利亞聯邦科學與工業組織（CSIRO）的能源技術部S.R. Sivakkumar, J.Y. Nerkar,A.G. Pandolfo【5】對不同類型和粒徑的石墨材料進行評估表明，石墨材料的顆粒粒徑越小則倍率性能越高，降低石墨表面塗層厚度也能夠提升石墨負極的倍率性能。但是粒徑縮小也帶來了一系列的問題，例如可逆容容量的降低和壓實密度的下降，同時研究也表明雖然上述措施能夠提高石墨負極的放電倍率性能，但是卻難以有效的提升石墨負極的充電倍率性能。

Li4Ti5O12材料本身具有較高的Li+擴散係數（10-16-10-15m2/S）【2】，同時鈦酸鋰電池材料因為電導率較低，生產中往往會製成納米級的顆粒，因此進一步增大了活性面積，降低了Li+的擴散距離，鈦酸鋰電池因此具有非常優異的倍率性能，能夠實現快速充電，這也正是董明珠看中銀隆的原因，然而鈦酸鋰材料的電壓平臺為1.55V，理論可逆容量為170mAh/g，導致電池比能量較低，嚴重影響了電動汽車的續航裡程，這也是導致銀隆近期陷入危機的根源所在，正所謂成也蕭何，敗也蕭何。為了解決鈦酸鋰存在的這些問題，同時保留其高倍率性能的優勢，科研工作者做了大量的努力，日本東芝公司【3】開發的鈮鈦氧化合物NTO新型負極材料，該材料的可逆容量可達341mAh/g遠遠高於LTO材料，接近石墨材料，但是憑藉著高壓實密度的優勢，在體積能量密度達到了石墨負極的兩倍，同時該材料還保留了快速充電的特性，從0%SoC充電到90%SoC最快僅僅需要6min，幾乎完美滿足了電動汽車的需求，目前東芝公司已經宣布和雙日公司Sojitz、巴西礦山公司CBMM達成了合作協議，共同開發生產該材料。

英國劍橋大學作為世界頂級學府，也在致力於開發高容量、大倍率的高性能鋰離子電池負極材料，在最近發表在Nature的一篇文章中Kent J.Griffith【4】介紹了劍橋大學的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料，這兩種材料在C/5倍率下可逆容量超過200mAh/g，Li+在兩種材料中的擴散係數達到10-13-10-12m2/S，遠遠高於LTO（10-16-10-15m2/S）材料，因此能夠微米級顆粒尺寸上就實現優異的倍率性能，較大的顆粒不僅降低了活性物質/電解液界面面積，減少了副反應的發生，更是大大增加了材料的壓實密度，因此兩種材料在單位體積容量方面表現異常出色，碾壓所有負極材料。

2.配方優化

決定鋰離子電池倍率性能的另外一個關鍵在於電池的配方設計，在鋰離子電池內部存在「離子導電」和「電子導電」兩種導電形式，其中離子導電主要包括Li+在電解液、電極內部孔隙和活性物質內部的擴散，電子導電主要是活性物質顆粒之間的導電，細分的話電子導電還可以分為「短程導電」和「長程導電」，例如以炭黑為代表的導電劑主要負責的是短程導電，以碳纖維、碳納米管為代表的導電劑主要負責長程導電。鋰離子電池的倍率性能是幾種導電形式的綜合體現，美國德雷賽爾大學的Samantha L. Morelly等【6】的研究表明，影響鋰離子電池倍率性能的關鍵不在於我們通常認為的「離子擴散」過程，更多的是依賴於電子導電性，例如加入3%炭黑的電極的倍率性能就要明顯好於2.5%的電極，但是按照「離子傳輸」限制理論，更多的炭黑意味著更加曲折的Li+擴散通道，反而會降低鋰離子電池的倍率性能，同時該研究表明相比於長程導電，吸附在NCM顆粒表面的炭黑提供的短程導電對於提升鋰離子的電池的倍率性能的作用更大。

單純的做到高倍率性能並不難，難就難在倍率性能與能量密度的兼顧，一般而言倍率性能和能量密度之間是相互矛盾的，在兩者之間找到一個平衡是非常困難的，日本東京農工大學的Kazuaki Kisu等【7】通過分析不同塗布厚度和壓實密度的NCM電極的阻抗的方式得到了最佳的塗布厚度和壓實密度的組合（70um和2.9g/cm3），在壓實密度過高時會導致電極孔隙率急劇下降，導致離子擴散阻抗增加，而壓實密度較低時又會導致接觸阻抗的增加，因此只有合適的壓實密度才能在保證鋰離子電池優異的倍率性能的同時也兼顧了高能量密度的特性。

3.電池結構的選擇

對於倍率性電池如何控制放電過程中的溫度也是一個非常重要的問題，在大電流放電過程中鋰離子電池會產生大量的熱量，熱量在鋰離子電池內部的積累會導致溫度的升高，產生較大的溫度梯度，因此鋰離子電池內部衰降的不一致，影響鋰離子電池的壽命。如何選擇一個合適的結構就變的尤為重要，德國慕尼黑工業大學的Stephan Kosch等【8】通過二維電-熱極化模型對鋰離子電池極耳的形狀和位置對大尺寸鋰離子電池的熱特性的影響研究發現，極耳的寬度和集流體的厚度都會對鋰離子電池在放電過程中的溫度分布產生影響，極耳越窄、集流體越薄則電池內的溫度分布不均勻性越大，同時還發現當將電池的極耳放在電池的兩端時能夠有效的減少放電過程中電池內部溫度的不均勻性。

通過選擇合適的材料、配方和結構能夠降低鋰離子電池在大倍率放電時的電池內部的阻抗和極化，減少溫度的不均勻性，有效的提升電池的倍率性能。提升倍率性能是一個綜合性的工程，需要從多重因素綜合考慮，小編所介紹的只是九牛一毛，知識所限難免有所疏漏，希望各位朋友批評指正，提出自己的觀點。

來源：憑欄眺

作者： 新能源Leader

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