本篇文章，我們將就鋰離子電池與能量相關的兩個關鍵指標：能量密度和充放電倍率，展開一些簡短的論述。
能量密度，是單位體積或重量可以存儲的能量多少，這個指標當然是越高越好，凡是濃縮的都是精華嘛。充放電倍率，是能量存儲和釋放的速度，最好是秒速，瞬間存滿或釋放，召之即來揮之即去。
當然，這些都是理想，實際上受制于各種各樣的現實因素，我們既不可能獲得無限的能量，也不可能實現能量的瞬間轉移。如何不斷的突破這些限制，達到更高的等級，就是需要我們去解決的難題。
五、 鋰離子電池的能量密度
可以說，能量密度是制約當前鋰離子電池發展的最大瓶頸。不管是手機，還是電動汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達到一個全新的量級，使得產品的續航時間或續航里程不再成為困擾產品的主要因素。
從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升。可是提升的速度相對于工業規模的發展速度而言，相對于人類對能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進步都被卡在“電池”這兒了。當然，如果哪一天能夠實現全球電力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得電能(像手機信號一樣)，那么人類也就不再需要電池了，社會發展自然也就不會卡在電池上面。
針對能量密度成為瓶頸的現狀，全球各國都制訂了相關的電池產業政策目標，期望引領電池行業在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業組織所制定的2020年目標，基本上都指向300Wh/kg這一數值，相當于在當前的基礎上提升接近1倍。2030年的遠期目標，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業必須要有化學體系的重大突破，才有可能實現這一目標。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現有的化學體系和結構而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
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。
4. 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。
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。
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。
1. 提高正、負極的鋰離子擴散能力
鋰離子在正/負極活性物質內部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負極活性物質里面跑出來的速度，或者從正/負極表面進入活性物質內部找個位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個重要因素。
舉個例子，全球每年都有會很多的馬拉松比賽，雖然大家基本同一時間出發，可是道路寬度有限，參與的卻人很多(有時多達上萬人)，造成相互擁擠，加上參與人員的身體素質參差不齊，比賽的隊伍最后會變成一個超長的戰線。有人很快到達終點，有人晚到幾個小時，有人跑到昏厥，半路就歇菜了。
鋰離子在正/負極的擴散和移動，與馬拉松比賽基本差不多，跑得慢的，跑得快的都有，加上各自選擇的道路長短不一，嚴重制約了比賽結束的時間(所有人都跑完)。所以呢，我們不希望跑馬拉松，最好大家都跑百米，距離足夠短，所有人都可以快速達到終點，另外，跑道要足夠的寬，不要相互擁擠，道路也不要曲折蜿蜒，直線是最好的，要降低比賽難度。如此一來，裁判一聲令響，千軍萬馬一起奔向終點，比賽快速結束，倍率性能優異。
在正極材料處，我們希望極片要足夠的薄，也就是活性材料的厚度要小，這樣等于縮短了賽跑的距離，所以希望盡可能的提高正極材料壓實密度。在活性物質內部，要有足夠的孔間隙，給鋰離子留出比賽的通道，同時這些“跑道”分布要均勻，不要有的地方有，有的地方沒有，這就要優化正極材料的結構，改變粒子之間的距離和結構，做到均勻分布。以上兩點，其實是相互矛盾的，提高壓實密度，雖然厚度變薄，但是粒子間隙會變小，跑道就會顯得擁擠，反之，保持一定的粒子間隙，不利于把材料做薄。所以需要尋找一個平衡點，以達到最佳的鋰離子遷移速率。
此外，不同材料的正極物質，對鋰離子的擴散系數有顯著影響。因此，選擇鋰離子擴散系數比較高的正極材料，也是改善倍率性能的重要方向。
負極材料的處理思路，與正極材料類似，也是主要從材料的結構、尺寸、厚度等方面著手，減小鋰離子在負極材料中的濃度差，改善鋰離子在負極材料中的擴散能力。以碳基負極材料為例，近年來針對納米碳材料的研究(納米管、納米線、納米球等)，取代傳統的負極層狀結構，就可以顯著的改善負極材料的比表面積、內部結構和擴散通道，從而大幅度提升負極材料的倍率性能。
2. 提高電解質的離子電導率
鋰離子在正/負極材料里面玩的是賽跑，在電解質里面的比賽項目卻是游泳。
游泳比賽，如何降低水(電解液)的阻力，就成為速度提升的關鍵。近年來，游泳運動員普遍穿著鯊魚服，這種泳衣可以極大的降低水在人體表面形成的阻力，從而提高運動員的比賽成績，并且成為非常有爭議的話題。
鋰離子要在正、負極之間來回穿梭，就如同在電解質和電池殼體所構成的“游泳池”里面游泳，電解質的離子電導率如同水的阻力一樣，對鋰離子游泳的速度有非常大的影響。目前鋰離子電池所采用的有機電解質，不管是液體電解質，還是固體電解質，其離子電導率都不是很高。電解質的電阻成為整個電池電阻的重要組成部分，對鋰離子電池高倍率性能的影響不容忽視。
除了提高電解質的離子電導率之外，還需要著重關注電解質的化學穩定性和熱穩定性。在大倍率充放電時，電池的電化學窗口變化范圍非常寬，如果電解質的化學穩定性不好，容易在正極材料表面氧化分解，影響電解質的離子電導率。電解液的熱穩定性則對鋰離子電池的安全性和循環壽命有非常大的影響，因為電解質受熱分解時會產生很多氣體，一方面對電池安全構成隱患，另一方面有些氣體對負極表面的SEI膜產生破壞作用，影響其循環性能。
因此，選擇具有較高的鋰離子傳導能力、良好的化學穩定性和熱穩定性、且與電極材料匹配的電解質是提高鋰離子電池倍率性能的一個重要方向。
3. 降低電池的內阻
這里涉及到幾種不同的物質和物質之間的界面，它們所形成的電阻值，但都會對離子/電子的傳導產生影響。
一般在正極活性物質內部會添加導電劑，從而降低活性物質之間、活性物質與正極基體/集流體的接觸電阻，改善正極材料的電導率(離子和電子電導率)，提升倍率性能。不同材料不同形狀的導電劑，都會對電池的內阻產生影響，進而影響其倍率性能。
正負極的集流體(極耳)是鋰離子電池與外界進行電能傳遞的載體，集流體的電阻值對電池的倍率性能也有很大的影響。因此，通過改變集流體的材質、尺寸大小、引出方式、連接工藝等，都可以改善鋰離子電池的倍率性能和循環壽命。
電解質與正負極材料的浸潤程度，會影響電解質與電極界面處的接觸電阻，從而影響電池的倍率性能。電解質的總量、粘度、雜質含量、正負極材料的孔隙等，都會改變電解質與電極的接觸阻抗，是改善倍率性能的重要研究方向。
鋰離子電池在第一次循環的過程中，隨著鋰離子嵌入負極，在負極會形成一層固態電解質(SEI)膜，SEI膜雖然具有良好的離子導電性，但是仍然會對鋰離子的擴散有一定的阻礙作用，尤其是大倍率充放電的時候。隨著循環次數的增加，SEI膜會不斷脫落、剝離、沉積在負極表面，導致負極的內阻逐漸增加，成為影響循環倍率性能的因素。因此，控制SEI膜的變化，也能夠改善鋰離子電池長期循環過程中的倍率性能。
此外，隔離膜的吸液率和孔隙率也對鋰離子的通過性有較大的影響，也會一定程度上影響鋰離子電池的倍率性能(相對較小)。
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