简析锂离子电池的两大性能指标：能量密度与充放电倍率
来源：宝鄂实业
2019-04-02 13:24
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能量密度，是单位体积或重量可以存储的能量多少，这个指标当然是越高越好，凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率，是能量存储和释放的速度，最好是秒速，瞬间存满或释放，召之即来挥之即去。
当然，这些都是理想，实际上受制于各种各样的现实因素，我们既不可能获得无限的能量，也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制，达到更高的等级，就是需要我们去解决的难题。
五、 锂离子电池的能量密度
可以说，能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。
简析锂离子电池的两大性能指标：能量密度与充放电倍率
从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池，能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言，相对于人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。甚至有人戏言，人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然，如果哪一天能够实现全球电力无线传输，到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样)，那么人类也就不再需要电池了，社会发展自然也就不会卡在电池上面。
针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标，则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，电池行业必须要有化学体系的重大突破，才有可能实现这一目标。
影响锂离子电池能量密度的因素有很多，就锂离子电池现有的化学体系和结构而言，具体都有哪些明显的限制呢？
前面我们分析过，充当电能载体的，其实就是电池当中的锂元素，其他物质都是“废物”，可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体，这些“废物”又是不可或缺的。举个例子，一块锂离子电池当中，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天赋，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩下的99%就是绿叶，少了哪个都不行。
那么要提高能量密度，我们首先想到的就是提高锂元素的比例，同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来，移动到负极，然后还得从负极原数返回正极(不能变少了)，周而复始的搬运能量。
1. 提高正极活性物质的占比
提高正极活性物质占比，主要是为了提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了(其他条件不变)，能量密度也会有相应的提升。所以在一定的体积和重量限制下，我们希望正极活性物质多一些，再多一些。
2. 提高负极活性物质的占比
这个其实是为了配合正极活性物质的增加，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。如果负极活性物质不够，多出来的锂离子会沉积在负极表面，而不是嵌入内部，出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。
3. 提高正极材料的比容量(克容量)
正极活性物质的占比是有上限的，不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参与化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也就是比容量指标要高。
这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元材料，都是奔着这个目标去的。
前面已经分析过，钴酸锂可以达到137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正极材料，并取得产业化进展
4. 提高负极材料的比容量
相对而言，负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈，但是如果进一步提升负极的比容量，则意味着以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。
以石墨类碳材料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料，则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料，也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级，这些都是当前研究的热点方向。
5. 减重瘦身
除了正负极的活性物质之外，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。
简析锂离子电池的两大性能指标：能量密度与充放电倍率
在这方面做文章，就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析，从而找出合理的方案。各个方面都改善一些，就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。
从以上的分析可以看出，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短期、中期和长期的解决方案。
六、 锂离子电池的充放电倍率
锂离子电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。当然，这个存储和释放的过程是可控的，是安全的，不会显著影响电池的寿命和其他性能指标。
倍率指标，在电池作为电动工具，尤其是电动交通工具的能量载体时，显得尤为重要。设想一下，如果你开着一辆电动车去办事，半路发现快没电了，找个充电站充电，充了一个小时还没充满，估计要办的事情都耽误了。又或者你的电动汽车在爬一个陡坡，无论怎么踩油门(电门)，车子却慢的像乌龟，使不上劲，自己恨不得下来推车。
显然，以上这些场景都是我们不希望看到的，但是却是当前锂离子电池的现状，充电耗时久，放电也不能太猛，否则电池就会很快衰老，甚至有可能发生安全问题。但是在许多的应用场合，我们都需要电池具有大倍率的充放电性能，所以我们又一次卡在了“电池”这儿。为了锂离子电池获得更好的发展，我们有必要搞清楚，都是哪些因素在限制电池的倍率性能。
简析锂离子电池的两大性能指标：能量密度与充放电倍率
锂离子电池的充放电倍率性能，与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素(这些影响因子也可等效为电池的内阻)，都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素，如果散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂离子电池的安全性和寿命。因此，研究和改善锂离子电池的充放电倍率性能，主要从提高锂离子迁移速度和电池内部的散热速率两个方面着手。
1. 提高正、负极的锂离子扩散能力
锂离子在正/负极活性物质内部的脱嵌和嵌入的速率，也就是锂离子从正/负极活性物质里面跑出来的速度，或者从正/负极表面进入活性物质内部找个位置“安家”的速度到底有多快，这是影响充放电倍率的一个重要因素。
简析锂离子电池的两大性能指标：能量密度与充放电倍率
举个例子，全球每年都有会很多的马拉松比赛，虽然大家基本同一时间出发，可是道路宽度有限，参与的却人很多(有时多达上万人)，造成相互拥挤，加上参与人员的身体素质参差不齐，比赛的队伍最后会变成一个超长的战线。有人很快到达终点，有人晚到几个小时，有人跑到昏厥，半路就歇菜了。
锂离子在正/负极的扩散和移动，与马拉松比赛基本差不多，跑得慢的，跑得快的都有，加上各自选择的道路长短不一，严重制约了比赛结束的时间(所有人都跑完)。所以呢，我们不希望跑马拉松，最好大家都跑百米，距离足够短，所有人都可以快速达到终点，另外，跑道要足够的宽，不要相互拥挤，道路也不要曲折蜿蜒，直线是最好的，要降低比赛难度。如此一来，裁判一声令响，千军万马一起奔向终点，比赛快速结束，倍率性能优异。
