在當今科技飛速發(fā)展的時代，鋰離子電池作為眾多電子設(shè)備和電動交通工具的核心動力源，其性能表現(xiàn)至關(guān)重要。而鋰離子電池的能量密度和充放電倍率，正是決定其性能優(yōu)劣的兩個關(guān)鍵指標。
一、能量密度：制約鋰離子電池發(fā)展的瓶頸
能量密度，簡單來說，就是單位體積或重量可以存儲的能量多少。越高的能量密度，意味著電池能夠為設(shè)備提供更持久的續(xù)航能力。從鉛酸電池到鎳鎘電池、鎳氫電池，再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷提升，但相對于人類對能量的需求和工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度，這一提升顯得有些緩慢。甚至有人調(diào)侃，人類的進步都被 “卡” 在了電池這兒。
1. 影響鋰離子電池能量密度的因素
（1）化學體系與結(jié)構(gòu)的限制
在鋰離子電池中，充當電能載體的主要是鋰元素，而其他物質(zhì)在一定程度上限制了能量密度的提升。例如，一塊鋰離子電池中，鋰元素的質(zhì)量占比通常只有 1% 多一點，其余 99% 的成分都是不承擔能量存儲功能的物質(zhì)。
（2）提高能量密度的方法
提高正極活性物質(zhì)占比：在同一電池化學體系中，提高鋰元素的含量，能提升能量密度。因此，在一定體積和重量限制下，增加正極活性物質(zhì)的比例，可使更多鋰元素參與能量存儲。
提高負極活性物質(zhì)占比：為配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多負極活性物質(zhì)來容納從正極游過來的鋰離子，防止不可逆化學反應和電池容量衰減。
提高正極材料的比容量：在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，提高可脫嵌鋰離子相對于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比，即提高比容量，可提升能量密度。從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是為了實現(xiàn)這一目標。若要進一步提升，需研究新的正極材料并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
提高負極材料的比容量：雖然負極材料的比容量目前不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但提升負極比容量可減少負極材料質(zhì)量，容納更多鋰離子，從而提高能量密度。如研究硬碳材料、納米碳材料、錫基和硅基負極材料等。
減重瘦身：除正負極活性物質(zhì)外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等占整個電池重量的 40% 左右。減輕這些材料的重量且不影響電池性能，可提升鋰離子電池的能量密度。
提升鋰離子電池的能量密度是一個系統(tǒng)工程，需從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、開發(fā)新材料和新化學體系等方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。
二、充放電倍率：決定電池速度的關(guān)鍵
充放電倍率決定了鋰離子電池存儲和釋放能量的速度。在電動工具和電動交通工具中，充放電倍率尤為重要。
1. 鋰離子電池充放電倍率的現(xiàn)狀與問題
當前鋰離子電池充電耗時久，放電不能太猛，否則會影響電池壽命和安全性。例如，開電動車辦事時，半路沒電去充電，可能充很久都不滿；爬坡時，車子可能因放電倍率不夠而動力不足。這些場景都是我們不希望看到的，但卻是當前鋰離子電池的現(xiàn)狀。
2. 影響鋰離子電池充放電倍率的因素及改善方法
（1）提高正、負極的鋰離子擴散能力
鋰離子在正 / 負極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入速率，以及在正 / 負極之間的遷移速度，是影響充放電倍率的重要因素。為提高鋰離子擴散能力，可從以下方面入手：
正極材料優(yōu)化：正極極片要薄，提高正極材料壓實密度，縮短鋰離子的 “賽跑距離”。同時，活性物質(zhì)內(nèi)部要有足夠的孔隙，為鋰離子提供均勻分布的 “跑道”。但這兩點存在矛盾，需尋找平衡點。此外，選擇鋰離子擴散系數(shù)高的正極材料也能改善倍率性能。
負極材料改進：負極材料的處理思路與正極類似，從結(jié)構(gòu)、尺寸、厚度等方面著手，減小鋰離子在負極材料中的濃度差，改善擴散能力。如研究納米碳材料，可改善負極材料的比表面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和擴散通道，提升倍率性能。
（2）提高電解質(zhì)的離子電導率
鋰離子在電解質(zhì)中的 “游泳比賽”，降低電解質(zhì)的阻力（提高離子電導率）是提升速度的關(guān)鍵。目前鋰離子電池采用的有機電解質(zhì)，離子電導率不高，電阻成為電池電阻的重要組成部分。此外，還需關(guān)注電解質(zhì)的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，選擇具有高鋰離子傳導能力、良好化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性且與電極材料匹配的電解質(zhì)。
（3）降低電池的內(nèi)阻
電池的內(nèi)阻由正極活性物質(zhì)內(nèi)部電阻、正負極集流體電阻、電解質(zhì)與電極界面處電阻等組成。可通過在正極活性物質(zhì)內(nèi)部添加導電劑、改變集流體材質(zhì)和尺寸、優(yōu)化電解質(zhì)與電極的浸潤程度、控制負極表面 SEI 膜的變化等方法降低電池內(nèi)阻，提升倍率性能。
總之，鋰離子電池的能量密度和充放電倍率是其性能的關(guān)鍵指標。突破這些限制，需要科研人員從多個方面進行深入研究和創(chuàng)新，為鋰離子電池的發(fā)展開辟新的道路，以滿足人們對高性能電池的需求。
億鑫豐研發(fā)的新品激光刻蝕機在這方面有一定的建樹。設(shè)備采用激光物理劃線技術(shù)，在負極上直接刻蝕出豎直溝道。這一技術(shù)能夠提供最為有效的毛細管傳輸，顯著增強電解液的浸潤效果與速度。同時，它可以降低電極的孔隙迂曲度，提高有效鋰離子擴散系數(shù)，并且通過形成溝槽來存儲電解液。如此一來，能夠提高電池的循環(huán)保持率，降低電池內(nèi)阻，減少負極析鋰的情況發(fā)生。
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