电极和电池结构对电池性能的影响有哪些？

根据《中国制造2025》的规划目标，2020年锂离子电池单体比能量达到300 Wh/kg，2025年达到400 Wh/kg，2030年达到500 Wh/kg。提升能量密度是锂离子电池研究永恒的话题，行业内普遍认为，锂离子电池技术的近期目标是通过高镍三元正极、硅碳负极实现单体300wh/kg，中期(2025年)目标是基于富锂锰基/高容量Si—C负极，实现400wh/kg。

锂离子电池比能量的提升离不开材料技术的进步和生产工艺的提升。目前，关于锂离子电池的研究工作多集中在开发新的电极活性材料，隔膜和电解质材料，却很少关注电极和电池结构对电池性能的影响。比如通过优化电极的结构，可以提高电极的导电性和其对电解液的浸润性能，加快电子和离子在整个电极内部的传输速率，进而提升电池的能量密度和倍率性能。

提升涂布量是提升锂离子电池能量密度的有效方式，但是随着涂布量的上升，我们会发现锂离子电池的电性能，特别是倍率性能和循环性能出现了显著的下降，这主要是因为锂离子电池的电极是由颗粒组成的多孔结构，其中的孔隙复杂、迂曲度高，会显著增加锂离子在其中扩散的阻力。能量密度提高以后，电极设计问题更突出。活性物质在电池中的占比是影响电池比能量的一个重要因素。同样正负极材料，同样的克容量，如果一个电池里面活性物质质量占比较小的话，电池的能量密度就低。所以要提高能量密度，一定要从相同重量的电池里面尽量多地填充活性物质。活性物质多一定是辅助材料少，铜箔要减少、铝箔要减少；其实最主要的是将电极做厚，电极厚了，集流体和隔膜的用量也就减少了。然而，如何获得既具有良好的电子/离子传输特性，又具有较高活性物质负载量的厚电极是一个巨大的挑战。锂离子电池电极不能做厚，厚了之后电极表面极化就变大了，电极在厚度方向的利用率就降低，而且会造成充电过程中负极析锂、正极分解等问题。从提高能量密度来讲，希望越厚越好；但是极化理论告诉我们，电极越薄越好，这两者是完全矛盾的。随着能量密度提高，比如一个单体100wh/kg，现在变成300 wh/kg，意味着单位重量的材料所承担的电流同步提高，因此对于高能量密度电池，保持功率性能是非常难的，所以高载量的电极设计技术越来越重要。

由于技术的限制，高性能动力电池的容量并不大，并且高性能电机的大电流对于电池包发热的控制也是一项严峻的挑战，这些挑战也正是FE这项赛事存在的意义之一。

用激烈的比赛，不断逼出赛车的极限，在复杂的情况下，找出怎样提高电池容量、提高电机稳定性、加快充电速度和改善赛车散热的方法。最有利的证明就是，保时捷在FE验证的快速充电技术已经远远超过了现在民用整车厂的技术。

迈凯伦参与FE当然也不是为了参与而参与，显然是为了提高自己的电池技术，然后再应用在自己的民用车上。近日，迈凯伦的执行长Mike Flewitt先生就明确表示：“我们有意生产纯电动跑车，不过在电池技术还未成熟前并不急于打造，我们认为在2025年前电池技术还不会完全成熟，以目前的科技而言还无法满足我们对于性能的要求。”

2016年，FE正式招标2018—2019赛季的电池供应商时，没有任何一家中国的电池企业参与投标，而英国的威廉姆斯车队和迈凯伦车队却在展开竞争，他们已经把自身电池技术的发展提升到了国家层面。在赢得了英国的APC6比赛，获得1亿英镑建厂资金之后，威廉姆斯先进技术工程公司的总经理Craig Wilson表示：“我们真的相信我们可以改变英国的制造能力，并为汽车产业和能源存储的未来作出重大贡献。这个电池厂项目将基于我们过去十年积累的丰富的电池经验和专业知识，进一步提升英国的电池制造能力。”当国外这些经过高强度比赛检验的电池与我们的民用电池产品展开竞争的时候，我们该如何应对呢？更何况，如今德法正在积极推进动力电池产业联盟的成立，在不久的将来，国内动力电池将面临欧洲优质产品的竞争，到那时我们又该如何应对呢？

或许不是每家企业都有参与国际赛事的机会，但我们的电池产品只有经得起这样的千锤百炼，才能让消费者在使用时更加安心。