鉅大LARGE | 點擊量：278次 | 2023年11月27日
什么方法可以提升鋰電池倍率性能
1.材料選擇
通常而言提升動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《離子導電、電子導電傻傻分不清楚？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率比較【1】，常溫20℃下，LCO材料的電子電導率最低僅為5x10-8S/cm，而NCM111材料電子電導率可達2.2x10-6S/cm，隨著鎳含量的進一步提高，三元材料的電子電導率也明顯提高，NCM8111材料的電子電導率更是達到4.1x10-3S/cm，離子電導率方面也表現(xiàn)出了同樣的趨勢，LCO材料在20℃下，離子電導率僅為2.3x10-7S/cm，而NCM111材料離子電導率為3.2x10-6S/cm，NCM532位1.7x10-3S/cm，NCM622位3.4x10-3S/cm，NCM811材料更是達到了6.3x10-3S/cm，因此無論是從電子電導率還是離子電導率上來看三元材料，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)部的擴散距離更短，因此理論上會具有更好的倍率性能。
負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密度的下降，同時研究也表明雖然上述措施能夠提高石墨負極的放電倍率性能，但是卻難以有效的提升石墨負極的充電倍率性能。
Li4Ti5O12材料本身具有較高的Li+擴散系數(shù)（10-16-10-15m2/S）【2】，同時鈦酸鋰離子電池材料因為電導率較低，生產(chǎn)中往往會制成納米級的顆粒，因此進一步增大了活性面積，降低了Li+的擴散距離，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為1.55V，理論可逆容量為170mAh/g，導致電池比能量較低，嚴重影響了電動汽車的續(xù)航里程，這也是導致銀隆近期陷入危機的根源所在，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新型負極材料，該材料的可逆容量可達341mAh/g遠遠高于LTO材料，接近石墨材料，但是憑借著高壓實密度的優(yōu)勢，在體積能量密度達到了石墨負極的兩倍，同時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達成了合作協(xié)議，共同開發(fā)生產(chǎn)該材料。
英國劍橋大學作為世界優(yōu)秀學府，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+在兩種材料中的擴散系數(shù)達到10-13-10-12m2/S，遠遠高于LTO（10-16-10-15m2/S）材料，因此能夠微米級顆粒尺寸上就實現(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，減少了副反應的發(fā)生，更是大大新增了材料的壓實密度，因此兩種材料在單位體積容量方面表現(xiàn)異常出色，碾壓所有負極材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2.配方優(yōu)化
決定鋰離子電池倍率性能的另外一個關鍵在于電池的配方設計，在鋰離子電池內(nèi)部存在離子導電和電子導電兩種導電形式，其中離子導電重要包括Li+在電解液、電極內(nèi)部孔隙和活性物質(zhì)內(nèi)部的擴散，電子導電重要是活性物質(zhì)顆粒之間的導電，細分的話電子導電還可以分為短程導電和長程導電，例如以炭黑為代表的導電劑重要負責的是短程導電，以碳纖維、碳納米管為代表的導電劑重要負責長程導電。鋰離子電池的倍率性能是幾種導電形式的綜合體現(xiàn)，美國德雷賽爾大學的SamanthaL.Morelly等【6】的研究表明，影響鋰離子電池倍率性能的關鍵不在于我們通常認為的離子擴散過程，更多的是依賴于電子導電性，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+擴散通道，反而會降低鋰離子電池的倍率性能，同時該研究表明相比于長程導電，吸附在NCM顆粒表面的炭黑供應的短程導電關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平衡是非常困難的，日本東京農(nóng)工大學的KazuakiKisu等【7】通過分析不同涂布厚度和壓實密度的NCM電極的阻抗的方式得到了最佳的涂布厚度和壓實密度的組合（70um和2.9g/cm3），在壓實密度過高時會導致電極孔隙率急劇下降，導致離子擴散阻抗新增，而壓實密度較低時又會導致接觸阻抗的新增，因此只有合適的壓實密度才能在保證鋰離子電池優(yōu)異的倍率性能的同時也兼顧了高能量密度的特性。
3.電池結(jié)構(gòu)的選擇
關于倍率性電池如何控制放電過程中的溫度也是一個非常重要的問題，在大電流放電過程中鋰離子電池會出現(xiàn)大量的熱量，熱量在鋰離子電池內(nèi)部的積累會導致溫度的升高，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。如何選擇一個合適的結(jié)構(gòu)就變的尤為重要，德國慕尼黑工業(yè)大學的StephanKosch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對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，同時還發(fā)現(xiàn)當將電池的極耳放在電池的兩端時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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