鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計與提高鋰電池能量密度的三方法介紹

　　隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，我們希望鋰離子電池更小、更輕便、儲能更多，這些訴求也在推動著鋰離子電池研究工作不斷前進(jìn)。從電池結(jié)構(gòu)和新材料、新體系的采用，可愛的鋰離子電池研究者們不斷嘗試各種方法提高鋰離子電池能量密度的方法。

　　1.結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　提高鋰離子電池的比能量從結(jié)構(gòu)上講，要提高正負(fù)極活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比例。鋰離子電池主要由正負(fù)極活性物質(zhì)、隔膜、銅箔、鋁箔和殼體及結(jié)構(gòu)件等部分組成，其中真正能夠為鋰離子電池提供容量的只有活性物質(zhì)，因此提高活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比重才是最有效的提高鋰離子電池手段。例如最近特斯拉在大力推動的21700電池，就是通過使用直徑更大的電芯（21mm），增加電芯的高度（70mm）提高活性物質(zhì)占比，減少結(jié)構(gòu)件等非活性材料的比重，提高鋰離子電池的比能量，降低單位瓦時成本。此外軟包電池也是減少結(jié)構(gòu)件重量的有效方法，通過使用鋁塑膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制外殼，可以極大的減少結(jié)構(gòu)件在鋰離子電池中所占的比重。

　　除了增大鋰離子電池的直徑，另外一個有效提高鋰離子電池比能量的方法是減少隔膜的厚度，目前常見的PP-PE-PP三層復(fù)合隔膜的厚度一般達(dá)到30um以上，達(dá)到正負(fù)極極片的厚度的20%左右，這也造成了嚴(yán)重的空間浪費，為了減少隔膜所占的空間，目前廣大鋰離子電池廠家普遍采用帶有涂層的薄隔膜，這些隔膜的厚度可達(dá)到20um以下，可以在保證鋰離子電池安全的前提下，顯著的減少隔膜所占的體積比例，提高活性物質(zhì)占比，提高鋰離子電池比能量。

　　另外的一種增加活性物質(zhì)比例的方法是從電池的生產(chǎn)工藝的角度入手，首先是增加活性物質(zhì)在電極中占比。一般鋰離子電池的電極主要由四大部分組成，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體組成，為了提高活性物質(zhì)比例，就需要降低其他部分的比例，通過采用新型導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑從而減少導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的比例，采用更薄的集流體來減少非活性物質(zhì)的所占的比例。其次，需要提高正負(fù)極的涂布量，但是提高電極的涂布量還面臨的一個問題：當(dāng)電極過厚時會造成電極的Li+擴(kuò)散動力學(xué)條件變差，影響鋰離子電池的倍率和循環(huán)性能，為了解決這一問題德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Boris Bitsch等［1］利用毛細(xì)懸濁液和多層電極工藝制備了具有梯度孔隙率的高性能厚電極。在靠近銅箔的低層，Boris Bitsch等采用了普通漿料，使得其具有較低的孔隙率和良好的導(dǎo)電性，而在遠(yuǎn)離銅箔的表層，Boris Bitsch則采用了毛細(xì)懸濁液漿料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明顯增加，改善了電極的動力學(xué)條件，從而使得該電極的孔隙率自下而上呈現(xiàn)出逐漸增加的特性，顯著改善了厚電極的動力學(xué)條件，提高了厚電極的電化學(xué)性能，從而實現(xiàn)了在提高電池重量和體積比能量的同時不降低電池的循環(huán)性能。

　　提高鋰離子電池比能量的另外一個重要的方法就是控制電解液的數(shù)量，減少電解液的數(shù)量可以有效的提高鋰離子電池的能量密度。電解液在鋰離子電池內(nèi)部起到一個媒介的作用，正負(fù)極的Li+通過電解液進(jìn)行擴(kuò)散，因此電解液理論上來講是一種“非消耗品”，只要有少量的電解液保證Li+在正負(fù)極之間自由擴(kuò)散就行了，但是實際上由于在化成過程中SEI膜的形成導(dǎo)致電解液分解，以及在循環(huán)過程中SEI膜破壞和正極氧化等原因造成的電解液分解，導(dǎo)致電解液在實際上是持續(xù)消耗的，因此電池內(nèi)的電解液一般而言都是過量的，這也是導(dǎo)致鋰離子電池比能量低的一個重要原因，為了減少電解液量，同時保證電池的性能，需要我們對電解液溶劑體系和電解液添加劑體系進(jìn)行改進(jìn)，提高電解液的穩(wěn)定性。為了改善電解液在三元材料NMC電池中的穩(wěn)定性，德國明斯特大學(xué)的Yunxian Qian等［2］向傳統(tǒng)的EC和EMC（重量比為3:7）為溶劑的電解液中添加了少量的FEC添加劑，發(fā)現(xiàn)FEC添加劑能夠有效的減少電解液的分解，提高NMC電池的首次庫倫效率，并顯著改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性。