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    影響鋰離子電池能量密度的因素主要有哪些/

    來源:寶鄂實業    2019-08-30 08:52    點擊量:
    前面我們分析過,充當電能載體的,其實就是電池當中的鋰元素,其他物質都是“廢物”,可是要獲得穩定的、持續的、安全的電能載體,這些“廢物”又是不可或缺的。舉個例子,一塊鋰離子電池當中,鋰元素的質量占比一般也就在1%多一點,其余99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質。愛迪生有句名言,成功是99%的汗水加上1%的天賦,看來這個道理放之四海皆準啊,1%是紅花,剩下的99%就是綠葉,少了哪個都不行。
     
      那么要提高能量密度,我們首先想到的就是提高鋰元素的比例,同時要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來,移動到負極,然后還得從負極原數返回正極(不能變少了),周而復始的搬運能量。
     
      1. 提高正極活性物質的占比
     
      提高正極活性物質占比,主要是為了提高鋰元素的占比,在同一個電池化學體系中,鋰元素的含量上去了(其他條件不變),能量密度也會有相應的提升。所以在一定的體積和重量限制下,我們希望正極活性物質多一些,再多一些。
     
      2. 提高負極活性物質的占比
     
      這個其實是為了配合正極活性物質的增加,需要更多的負極活性物質來容納游過來的鋰離子,存儲能量。如果負極活性物質不夠,多出來的鋰離子會沉積在負極表面,而不是嵌入內部,出現不可逆的化學反應和電池容量衰減。
     
      3. 提高正極材料的比容量(克容量)
     
      正極活性物質的占比是有上限的,不能無限制提升。在正極活性物質總量一定的情況下,只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌,參與化學反應,才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對于正極活性物質的質量占比要高,也就是比容量指標要高。
     
      這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因,從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰,再到三元材料,都是奔著這個目標去的。
     
      前面已經分析過,鈷酸鋰可以達到137mAh/g,錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實際值都在120mAh/g左右,鎳鈷錳三元則可以達到180mAh/g。如果要再往上提升,就需要研究新的正極材料,并取得產業化進展?!?. 提高負極材料的比容量
     
      相對而言,負極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸,但是如果進一步提升負極的比容量,則意味著以質量更少的負極材料,就可以容納更多的鋰離子,從而達到提升能量密度的目標。
     
      以石墨類碳材料做負極,理論比容量在372mAh/g,在此基礎上研究的硬碳材料和納米碳材料,則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負極材料,也可以將負極的比容量提升到一個很高的量級,這些都是當前研究的熱點方向。
     
      5. 減重瘦身
     
      除了正負極的活性物質之外,電解液、隔離膜、粘結劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等,都是鋰離子電池的“死重”,占整個電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量,同時不影響電池的性能,那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。
     
    簡析鋰離子電池的兩大性能指標:能量密度與充放電倍率
     
      在這方面做文章,就需要針對電解液、隔離膜、粘結劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進行詳細的研究和分析,從而找出合理的方案。各個方面都改善一些,就可以將電池的能量密度整體提升一個幅度。
     
      從以上的分析可以看出,提升鋰離子電池的能量密度是一個系統工程,要從改善制造工藝、提升現有材料性能、以及開發新材料和新化學體系這幾個方面入手,尋找短期、中期和長期的解決方案。
     
      六、 鋰離子電池的充放電倍率
     
      鋰離子電池的充放電倍率,決定了我們可以以多快的速度,將一定的能量存儲到電池里面,或者以多快的速度,將電池里面的能量釋放出來。當然,這個存儲和釋放的過程是可控的,是安全的,不會顯著影響電池的壽命和其他性能指標。
     
      倍率指標,在電池作為電動工具,尤其是電動交通工具的能量載體時,顯得尤為重要。設想一下,如果你開著一輛電動車去辦事,半路發現快沒電了,找個充電站充電,充了一個小時還沒充滿,估計要辦的事情都耽誤了。又或者你的電動汽車在爬一個陡坡,無論怎么踩油門(電門),車子卻慢的像烏龜,使不上勁,自己恨不得下來推車。
     
      顯然,以上這些場景都是我們不希望看到的,但是卻是當前鋰離子電池的現狀,充電耗時久,放電也不能太猛,否則電池就會很快衰老,甚至有可能發生安全問題。但是在許多的應用場合,我們都需要電池具有大倍率的充放電性能,所以我們又一次卡在了“電池”這兒。為了鋰離子電池獲得更好的發展,我們有必要搞清楚,都是哪些因素在限制電池的倍率性能。簡析鋰離子電池的兩大性能指標:能量密度與充放電倍率
      鋰離子電池的充放電倍率性能,與鋰離子在正負極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關,一切影響鋰離子遷移速度的因素(這些影響因子也可等效為電池的內阻),都會影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外,電池內部的散熱速率,也是影響倍率性能的一個重要因素,如果散熱速率慢,大倍率充放電時所積累的熱量無法傳遞出去,會嚴重影響鋰離子電池的安全性和壽命。因此,研究和改善鋰離子電池的充放電倍率性能,主要從提高鋰離子遷移速度和電池內部的散熱速率兩個方面著手。