對于動(dòng)力鋰離子電池而言，我們關(guān)注最多的指標(biāo)是能量密度和功率密度，能量密度關(guān)乎車輛的續(xù)航里程，功率密度則關(guān)乎電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能。如何提升鋰離子電池倍率性能各位設(shè)計(jì)師內(nèi)心都有自己獨(dú)到的見解，小編斗膽在這里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(dòng)力電池倍率性能主要是從材料的選擇上入手。目前常見的高鎳三元材料與傳統(tǒng)的鈷酸鋰材料的離子和電子電導(dǎo)率對比【1】，常溫20℃下，LCO材料的電子電導(dǎo)率最低僅為5x10-8S/cm，而NCM111材料電子電導(dǎo)率可達(dá)2.2x10-6S/cm，隨著鎳含量的進(jìn)一步提高，三元材料的電子電導(dǎo)率也明顯提高，NCM8111材料的電子電導(dǎo)率更是達(dá)到4.1x10-3S/cm，離子電導(dǎo)率方面也表現(xiàn)出了同樣的趨勢，LCO材料在20℃下，離子電導(dǎo)率僅為2.3x10-7S/cm，而NCM111材料離子電導(dǎo)率為3.2x10-6S/cm，NCM532位1.7x10-3S/cm，NCM622位3.4x10-3S/cm，NCM811材料更是達(dá)到了6.3x10-3S/cm，因此無論是從電子電導(dǎo)率還是離子電導(dǎo)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(dāng)然除了材料的這些本征特性外，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(nèi)部的擴(kuò)散距離更短，因此理論上會(huì)具有更好的倍率性能。

負(fù)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(xiàn)，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織(CSIRO)的能源技術(shù)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(jìn)行評估表明，石墨材料的顆粒粒徑越小則倍率性能越高，降低石墨表面涂層厚度也能夠提升石墨負(fù)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(shí)密度的下降，同時(shí)研究也表明雖然上述措施能夠提高石墨負(fù)極的放電倍率性能，但是卻難以有效的提升石墨負(fù)極的充電倍率性能。

Li4Ti5O12材料本身具有較高的Li+擴(kuò)散系數(shù)(10-16-10-15m2/S)【2】，同時(shí)鈦酸鋰電池材料因?yàn)殡妼?dǎo)率較低，生產(chǎn)中往往會(huì)制成納米級的顆粒，因此進(jìn)一步增大了活性面積，降低了Li+的擴(kuò)散距離，鈦酸鋰電池因此具有非常優(yōu)異的倍率性能，能夠?qū)崿F(xiàn)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(dǎo)致電池比能量較低，嚴(yán)重影響了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，這也是導(dǎo)致銀隆近期陷入危機(jī)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(shí)保留其高倍率性能的優(yōu)勢，科研工作者做了大量的努力，日本東芝公司【3】開發(fā)的鈮鈦氧化合物NTO新型負(fù)極材料，該材料的可逆容量可達(dá)341mAh/g遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LTO材料，接近石墨材料，但是憑借著高壓實(shí)密度的優(yōu)勢，在體積能量密度達(dá)到了石墨負(fù)極的兩倍，同時(shí)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(dòng)汽車的需求。

在最近發(fā)表在Nature的一篇文章中Kent J.Griffith【4】介紹了劍橋大學(xué)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(kuò)散系數(shù)達(dá)到10-13-10-12m2/S，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LTO(10-16-10-15m2/S)材料，因此能夠微米級顆粒尺寸上就實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的倍率性能，較大的顆粒不僅降低了活性物質(zhì)/電解液界面面積，減少了副反應(yīng)的發(fā)生，更是大大增加了材料的壓實(shí)密度，因此兩種材料在單位體積容量方面表現(xiàn)異常出色，碾壓所有負(fù)極材料。

2.配方優(yōu)化

決定鋰離子電池倍率性能的另外一個(gè)關(guān)鍵在于電池的配方設(shè)計(jì)，在鋰離子電池內(nèi)部存在“離子導(dǎo)電”和“電子導(dǎo)電”兩種導(dǎo)電形式，其中離子導(dǎo)電主要包括Li+在電解液、電極內(nèi)部孔隙和活性物質(zhì)內(nèi)部的擴(kuò)散，電子導(dǎo)電主要是活性物質(zhì)顆粒之間的導(dǎo)電，細(xì)分的話電子導(dǎo)電還可以分為“短程導(dǎo)電”和“長程導(dǎo)電”，例如以炭黑為代表的導(dǎo)電劑主要負(fù)責(zé)的是短程導(dǎo)電，以碳纖維、碳納米管為代表的導(dǎo)電劑主要負(fù)責(zé)長程導(dǎo)電。鋰離子電池的倍率性能是幾種導(dǎo)電形式的綜合體現(xiàn)，美國德雷賽爾大學(xué)的Samantha L. Morelly等【6】的研究表明，影響鋰離子電池倍率性能的關(guān)鍵不在于我們通常認(rèn)為的“離子擴(kuò)散”過程，更多的是依賴于電子導(dǎo)電性，例如加入3%炭黑的電極的倍率性能就要明顯好于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(kuò)散通道，反而會(huì)降低鋰離子電池的倍率性能，同時(shí)該研究表明相比于長程導(dǎo)電，吸附在NCM顆粒表面的炭黑提供的短程導(dǎo)電對于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并不難，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(gè)平衡是非常困難的，日本東京農(nóng)工大學(xué)的Kazuaki Kisu等【7】通過分析不同涂布厚度和壓實(shí)密度的NCM電極的阻抗的方式得到了最佳的涂布厚度和壓實(shí)密度的組合(70um和2.9g/cm3)，在壓實(shí)密度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致電極孔隙率急劇下降，導(dǎo)致離子擴(kuò)散阻抗增加，而壓實(shí)密度較低時(shí)又會(huì)導(dǎo)致接觸阻抗的增加，因此只有合適的壓實(shí)密度才能在保證鋰離子電池優(yōu)異的倍率性能的同時(shí)也兼顧了高能量密度的特性。

3.電池結(jié)構(gòu)的選擇

對于倍率性電池如何控制放電過程中的溫度也是一個(gè)非常重要的問題，在大電流放電過程中鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熱量在鋰離子電池內(nèi)部的積累會(huì)導(dǎo)致溫度的升高，產(chǎn)生較大的溫度梯度，因此鋰離子電池內(nèi)部衰降的不一致，影響鋰離子電池的壽命。如何選擇一個(gè)合適的結(jié)構(gòu)就變的尤為重要，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)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(fā)現(xiàn)，極耳的寬度和集流體的厚度都會(huì)對鋰離子電池在放電過程中的溫度分布產(chǎn)生影響，極耳越窄、集流體越薄則電池內(nèi)的溫度分布不均勻性越大，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)將電池的極耳放在電池的兩端時(shí)能夠有效的減少放電過程中電池內(nèi)部溫度的不均勻性。

通過選擇合適的材料、配方和結(jié)構(gòu)能夠降低鋰離子電池在大倍率放電時(shí)的電池內(nèi)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(gè)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(diǎn)。

文章來源：新能源Leader