锂电池-设计基础知识

一：锂电池发展目标

1、更快的充电速度，当前智能手机的充电倍率普遍在1C，而最大充电倍率已经达到6C，最快16min即可将手机充至满电；

2、更高的能量密度，目前4.45V体系平台已经成熟商业化，4.48V甚至更高的电压平台成为了热门的研究方向；

3、更长的循环寿命，过去几年3C锂离子电池的使用寿命要求为500次循环，而目前各大厂商已经将其提高至800次循环。

在锂离子电池中，Li主要包括Li+从正极材料中脱出、Li+在电解液中迁移、Li+通过隔膜、Li+嵌入负极以及Li+在负极材料内部的扩散。提高锂离子电池的性能一般需要考虑：

（1）负极材料

石墨材料具有二维层状结构以及低电压平台等优势，层间C-C间距可达0.340nm，且Li+可嵌入石墨的层间，形成层间化合物LixC6，成为最常用的负极材料之一。

石墨的层状结构使得Li+必须从石墨的端头嵌入，继而扩散至颗粒内部，增长了扩散路径。小的层间距使得Li+的扩散速率较低，在进行大倍率充电时，Li+容易在石墨表面沉积形成大量锂枝晶，造成安全隐患。常用表面包覆改性来改善材料的性能。

软硬碳的层间距比石墨稍大，有利于锂离子的扩散，通常石墨表层包覆软硬碳改善石墨的电化学性能，即通过表面修饰作用，在石墨表面形成无定形结构的碳层，增加了锂离子通道，改善锂离子扩散，提升其倍率性能。在设计锂离子电池时，通常采用小颗粒以及软硬碳包覆的负极材料。

（2 ）电解液

高浓度电解液表现出优异的倍率性能。为了更好地实现电池性能，应选择具有高浓度、高电导率以及低粘度的电解液。

（3 ）隔膜

隔膜的质量决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的倍率、循环以及安全性能等特性。为确保隔膜具有电子绝缘性、低电阻、高离子电导率、耐电解液腐蚀、高浸润性等性能，在选用隔膜时主要考察隔膜的厚度、孔隙率、透气率、浸润度、孔径、穿刺强度和热稳定性等指标。其中隔膜的厚度、孔隙率和透气度对锂离子电池快充影响较大。厚度薄，孔隙率大，透气度高时，锂离子从正极传输到负极的阻碍就小，充电过程中的极化作用就小。隔膜的厚度和孔隙率影响着锂离子电池的充电性能。在设计电池时，一般选择薄的和高孔隙率的隔膜。

（4）极耳结构

锂离子电池的内部结构根据其制作方式主要分为4种：普通结构、极耳中置结构、多极耳结构、叠片结构。

极耳的位置对于锂离子电池内阻以及倍率有明显的影响，极耳处于正负极的中间时，电池的内阻以及倍率性能最好，其性能接近叠片工艺的电池。

在电池倍率性能方面，二者的小倍率性能差异不大，大倍率差异明显。其主要原因是极耳中置结构极耳在极片的中部，放电过程中电子从中间向两端扩散，电流较小时，载体通过电子能力足够，而大倍率时，电子数目过多，通道阻塞，导致其大倍率性能差，同时极片也会产热，导致其循环性能差。

多极耳结构的优势有：进一步降低电池阻抗，提高电池大倍率充放电性能，支持5C~10C放电；有效降低电池高倍率放电下的温升，10C放电电池表面温升低于20℃；电池温度低，显著增加电池循环使用寿命。多极耳卷绕电池的内阻比极耳中置电池小很多，其恒流充电容量占总容量的百分比也较大。

相比多极耳卷绕，叠片电池每层都引出一个极耳，此种结构制作的电池快充性能是目前各种结构中最高的。

（5）设计因素

锂离子电池的性能与电池的设计有密切的关系，极片涂布量、压实密度、铜箔铝箔的厚度、极耳的尺寸、极片的宽窄等均对电池的快充性能有很大的影响。电池面密度以及压实密度对电池的倍率、循环等性能影响比较明显，快充型锂离子电池需要低面密度设计，而压实密度过高或者过低均会导致其性能差，压实密度过高，极片活性物质被“压死”，导致其循环容量迅速跳水，而压实密度过低，导致其活性物质之间的接触不够，电池的阻抗较大，导致其性能较差。

不同箔材厚度对于锂离子电池性能的影响，厚的箔材由于其导电性更好，电池的阻值、倍率等性能均优于薄箔材，但是由于其厚度增加，势必会导致电池能量密度的降低。另外，电池极片的长短、宽度以及电池的大小也会对电池的性能有一定的影响。

（6）其他因素

构建导电网络能够优化电极材料的电学性能，对实现锂电池具有现实意义。

粘结剂作为锂离子电池的辅料，在电池中的用量非常少，但其对于电池性能的影响非常大，其主要作用是改善电池的阻值，提升电池的性能以及寿命。通过采用不同的合成方法以及调整SBR的表面可以提升电解液对于SBR的浸润性，达到提升电池的低温以及倍率性能的目的。

通过对锂离子电池集流体进行导电涂层改性，集流体与锂离子电池的活性物质之间的粘结力大幅度提升，电池的阻抗明显减小，可以明显提升锂离子电池的大倍率充放电性能。另外，在实际使用过程中，改性载体的使用还可以改善极片头尾厚度差异大的问题，可以进一步提升锂离子电池的寿命。

锂离子电池的充电过程分成两步，第一步恒流充电至电池最大电压，第二步是在该电压下恒压充电，恒压充电过程中电流逐渐减小，当电流减小至设定电流时即结束充电，恒压充电阶段时间长且充入的容量少，高压过充的思路就是减小恒压充电，增大恒流充电比例。

来源：网络

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