锂离子电池能量密度的要领是锂离子电池技能的不停生长吗、

随着锂离子电池技能的不停生长，我们也对锂离子电池的性能提出了更高的要求，我们盼望锂离子电池更小、更简便、储能更多，这些诉求也在推动着锂离子电池研究事情不停进步。从电池布局和新质料、新体系的接纳，可爱的锂离子电池研究者们不停实验种种要领进步锂离子电池能量密度的要领。

1.布局计划

进步锂离子电池的比能量从布局上讲，要进步正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。锂离子电池重要由正负极活性物质、隔阂、铜箔、铝箔和壳体及布局件等部门构成，此中真正可以大概为锂离子电池提供容量的只有活性物质，因此进步活性物质在锂离子电池中所占的比重才是最有用的进步锂离子电池本领。比方近来特斯拉在鼎力大肆推动的21700电池，便是通过利用直径更大的电芯(21mm)，增长电芯的高度(70mm)进步活性物质占比，淘汰布局件等非活性质料的比重，进步锂离子电池的比能量，低落单元瓦时本钱。别的软包电池也是淘汰布局件重量的有用要领，通过利用铝塑膜代替传统的钢制外壳，可以极大的淘汰布局件在锂离子电池中所占的比重。

除了增大锂离子电池的直径，别的一个有用进步锂离子电池比能量的要领是淘汰隔阂的厚度，现在常见的PP-PE-PP三层复合隔阂的厚度一样通常到达30um以上，到达正负极极片的厚度的20%左右，这也造成了严峻的空间浪费，为了淘汰隔阂所占的空间，现在宽大锂离子电池厂家广泛接纳带有涂层的薄隔阂，这些隔阂的厚度可到达20um以下，可以在包管锂离子电池宁静的条件下，明显的淘汰隔阂所占的体积比例，进步活性物质占比，进步锂离子电池比能量。

别的的一种增长活性物质比例的要领是从电池的生产工艺的角度入手，起首是增长活性物质在电极中占比。一样通常锂离子电池的电綦重要由四大部门构成，活性物质、导电剂、粘结剂和集流体构成，为了进步活性物质比例，就必要低落其他部门的比例，通过接纳新型导电剂、粘结剂从而淘汰导电剂和粘结剂的比例，接纳更薄的集流体来淘汰非活性物质的所占的比例。其次，必要进步正负极的涂布量，但是进步电极的涂布量还面对的一个题目：当电极过厚时会造成电极的Li+扩散动力学条件变差，影响锂离子电池的倍率和循环性能，为相识决这一题目德国卡尔斯鲁厄理工学院的BorisBitsch等[1]利用毛细悬浊液和多层电极工艺制备了具有梯度孔隙率的高性能厚电极。在靠近铜箔的低层，BorisBitsch等接纳了平凡浆料，使得其具有较低的孔隙率和精良的导电性，而在阔别铜箔的表层，BorisBitsch则接纳了毛细悬浊液浆料，并向此中添加了1-辛醇，使其孔隙率明显增长，改进了电极的动力学条件，从而使得该电极的孔隙率自下而上出现出渐渐增长的特性，明显改进了厚电极的动力学条件，进步了厚电极的电化学性能，从而实现了在进步电池重量和体积比能量的同时不低落电池的循环性能。

进步锂离子电池比能量的别的一个重要的要领便是控制电解液的数目，淘汰电解液的数目可以有用的进步锂离子电池的能量密度。电解液在锂离子电池内部起到一个前言的作用，正负极的Li+通过电解液举行扩散，因此电解液理论上来讲是一种“非斲丧品”，只要有少量的电解液包管Li+在正负极之间自由扩散就行了，但是现实上由于在化成历程中SEI膜的形成导致电解液剖析，以及在循环历程中SEI膜粉碎和正极氧化等缘故原由造成的电解液剖析，导致电解液在现实上是连续斲丧的，因此电池内的电解液一样通常而言都是过量的，这也是导致锂离子电池比能量低的一个重要缘故原由，为了淘汰电解液量，同时包管电池的性能，必要我们对电解液溶剂体系和电解液添加剂体系举行改进，进步电解液的稳固性。为了改进电解液在三元质料NMC电池中的稳固性，德国明斯特大学的YunxianQian等[2]向传统的EC和EMC(重量比为3:7)为溶剂的电解液中添加了少量的FEC添加剂，发明FEC添加剂可以大概有用的淘汰电解液的剖析，进步NMC电池的初次库伦服从，并明显改进电池的循环稳固性。

2.正负极活性物质的选择

随着我们对锂离子电池能量密度的要求不停进步，传统的LiCoO2质料已经物法满意高比能锂离子电池的需求，为了进一步提拔锂离子电池的能量密度，我们有两个大偏向可以选择：1)进步锂离子电池的事情电压；2)进步正负极质料的容量。起首我们从第1)方面来阐发一下进步锂离子电池能量密度的可行性，锂离子电池的事情电压取决于正负极质料之间的电压差，现在负极质料石墨的电压已经很低(约0.1VvsLi+/Li)，进一步低落的空间并不大，提拔锂离子电池电压重要从正极质料方面进举措手，现在可供选择的高电压质料重要有以下几类：

(1)高电压的尖晶石镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4质料，其事情电压可达5.0V，电压平台在4.7V左右，理论容量为147mAh/g，现实容量可达138mAh/g以上。(2)橄榄石类的高电压质料，比方LiMnPO4和LiCoPO4质料等，此中LiMnPO4质料的电压平台可以到达4.1V左右，LiCoPO4质料的更是可以到达4.8V左右。(3)富锂质料，富锂质料的理论容量可达200mAh/g以上，乃至是300mAh/g，但是为了发挥出富锂质料高容量的上风，必要将其事情电压进步，乃至到达4.8V左右。

这些高电压质料除了要办理自身存在的题目外，还面对着一个同样的题目：高电压下电解液不稳固的题目，现在商用的锂离子电池电解液一样通常是基于碳酸酯类的有机电解液，溶剂盐为LiPF6，这也导致在高电势下，电解液极易被氧化剖析，导致电池的性能严峻降落，乃至产生宁静题目。为了降服这一困难，我们可以从两个方面进举措手，起首是从电解液溶剂体系方面，为了进步电解液的电化学稳固窗口，可以接纳更为稳固的离子液体电解液和新型的电解质盐。另一方面，为了淘汰高电压质料对电解液的氧化，可以对高电压质料举行外貌的包覆处置处罚，从而断绝电解液与活性物质。华南师范的大学的DongruiChen等[3]利用Li3PO4对富锂层状质料举行了外貌包覆处置处罚，Li3PO4包覆明显改进了富锂质料的循环性能，淘汰了过渡金属元素的溶解，克制了层状布局向尖晶石布局的变化。

进步锂离子电池比能量的别的一个重要的方面便是进步正负极活性物质的比容量，这必要从正极质料和负极质料配合动手。正极质料方面可供我们选择的高容量的正极质料重要有以下两大类：1)三元质料NCM和NCA；2)富锂质料。

三元质料是现在最为成熟的高容量的正极质料，并且随着Ni含量的进步，三元质料的比容量也会相应的进步，比方高镍的NCM811质料，比容量可达200mAh/g左右，高镍NCA质料比容量也可以到达190mAh/g左右，要远高于LiCoO2质料。富锂质料是比年来新生长起来的高容量正极质料，其比容量可以到达200mAh/g以上，乃至是300mAh/g，但是现在富锂质料在市场上还较为少见，究其缘故原由重要有以下几点：1.不行逆容量高；2.电压衰降；3.循环性能差。改进其性能必要从元素掺杂和外貌包覆，以及质料布局计划等方面进举措手。

高容量的负极质料方面，我们重要有以下几个选项：1)硅基质料；2)N掺杂石墨类质料；3)过分金属S化物类质料；4)金属锂负极。硅负极质料不需多说，这也是现在市场上最为成熟可靠的高容量负极质料，晶体Si的比容量可达4200mAh/g以上，但是膨胀大、循环性能差，SiOX固然容量稍低(1500mAh/g左右)，但是循环性能优秀，缺点是初次服从低。N掺杂石墨质料是比年来高容量负极质料的一个研究热门，N原子的电负性为3.5左右，在石墨中掺入N元素后，可以明显的进步石墨负极的比容量，武汉大学的KaifuHuo等[4]利用模版法制备了N掺杂介孔碳中空球质料，其在0.1A/g的电流密度下，比容量可达931mAh/g，0.5A/g的电流密度下，循环1100此，仍旧可以大概连结485.7mAh/g的比容量。

金属硫化物重要指的是MoS2，其可逆容量可达1290mAh/g，远高于石墨质料，但是离子扩散速率低、电子电导率低影响其性能发挥，为了降服之一题目，JieShao等[5]以N掺杂石墨质料为基体，在上面生长MoS2纳米片，该质料体现出了精良的电化学性能，在10A/g的超大电流密度下，比容量仍旧可达915mAh/g。

金属Li负极比容量可达3860mAh/g，电势低，导电性好，是一种抱负的锂离子电池负极质料，早期由于宁静性题目而被石墨质料所代替，而比年来随着Li-S电池和Li-O2电池的快速生长，对金属Li负极的研究渐渐深入，已经有多种本领可以克制锂枝晶的生长，降服金属Li充放电历程中的体积膨胀，进步金属Li负极的宁静性，改进循环性能，金属Li负极在锂离子电池中应用的机遇已经成熟，据估算将锂离子电池的负极更换为金属锂，可以将锂离子电池的能量密度进步到440Wh/kg左右[6]。随着电动汽车市场的进一步扩大和对续航里程要求的不断提升，整车企业对动力电池在安全、能量密度、制造成本、循环寿命和产品附加属性等方面都提出了更高的要求。在原材料领域尚未获得巨大突破的前提下，适当增大电池的体积以获得更多的电池容量便成为一种可探索的方向。