1.材料選擇

通常而言提升動(dòng)力鋰電池倍率性能重要是從材料的選擇上入手，例如我們之前曾在文章《離子導(dǎo)電、電子導(dǎo)電傻傻分不清楚？你想了解的都在這里！》介紹過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)率比較【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(shì)，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(wú)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(duì)不同類型和粒徑的石墨材料進(jìn)行評(píng)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)鈦酸鋰離子電池材料因?yàn)殡妼?dǎo)率較低，生產(chǎn)中往往會(huì)制成納米級(jí)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，鈦酸鋰離子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(tái)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(shì)，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(shì)，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最快僅僅要6min，幾乎完美滿足了電動(dòng)汽車的需求，目前東芝公司已經(jīng)宣布和雙日公司Sojitz、巴西礦山公司CBMM達(dá)成了合作協(xié)議，共同開發(fā)生產(chǎn)該材料。

英國(guó)劍橋大學(xué)作為世界優(yōu)秀學(xué)府，也在致力于開發(fā)高容量、大倍率的高性能鋰離子電池負(fù)極材料，在最近發(fā)表在Nature的一篇文章中KentJ.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(jí)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，更是大大新增了材料的壓實(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。

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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)電重要包括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)電重要是活性物質(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(zhǎng)程導(dǎo)電，例如以炭黑為代表的導(dǎo)電劑重要負(fù)責(zé)的是短程導(dǎo)電，以碳纖維、碳納米管為代表的導(dǎo)電劑重要負(fù)責(zé)長(zhǎng)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(guó)德雷賽爾大學(xué)的SamanthaL.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(zhǎng)程導(dǎo)電，吸附在NCM顆粒表面的炭黑供應(yīng)的短程導(dǎo)電關(guān)于提升鋰離子的電池的倍率性能的用途更大。

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KazuakiKisu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)散阻抗新增，而壓實(shí)密度較低時(shí)又會(huì)導(dǎo)致接觸阻抗的新增，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

關(guān)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)出現(xiàn)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，出現(xiàn)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(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的StephanKosch等【8】通過二維電-熱極化模型對(duì)鋰離子電池極耳的形狀和位置對(duì)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(duì)鋰離子電池在放電過程中的溫度分布出現(xiàn)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。

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