本文的特约作者夏军将《手把手带你知道锂离子电池》，该文章共分为四篇，咱们将分期宣布，其为第三篇。

　　接下来的内容，咱们迁就锂离子电池与能量相关的两个要害方针：能量密度和充放电倍率，打开一些简略的论说。

　　能量密度，是单位体积或分量可以存储的能量多少，这个方针当然是越高越好，但凡浓缩的都是精华嘛。充放电倍率，是能量存储和开释的速度，最好是秒速，瞬间存满或开释，召之即来挥之即去。

　　当然，这些都是抱负，实践上受制于各式各样的实践要素，咱们既不或许取得无限的能量，也不或许完成能量的瞬间转移。怎样不断的打破这些约束，抵达更高的等级，便是需求咱们去处理的难题。

　　可以说，能量密度是约束当时锂离子电池开展的最大瓶颈。不管是手机，仍是电动汽车，人们都等待电池的能量密度可以抵达一个全新的量级，使得产品的续航时刻或续航路程不再成为困扰产品的首要要素。

　　从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池，能量密度一直在不断的进步。可是进步的速度相对于工业规划的开展速度而言，相对于人类对能量的需求程度而言，显得太慢了。乃至有人戏言，人类的前进都被卡在“电池”这儿了。当然，假如哪一天可以完成全球电力无线传输，到哪儿都能“无线”取得电能(像手机信号相同)，那么人类也就不再需求电池了，社会开展天然也就不会卡在电池上面。

　　针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策方针，期望引领电池职业在能量密度方面取得显着的打破。中、美、日等国政府或职业安排所拟定的2020年方针，根本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当时的基础上进步挨近1倍。2030年的远期方针，则要抵达500Wh/kg，乃至700Wh/kg，电池职业有必要要有化学系统的重大打破，才有或许完成这一方针。

　　影响锂离子电池能量密度的要素有许多，就锂离子电池现有的化学系统和结构而言，具体都有哪些显着的约束呢？

　　前面咱们剖析过，充任电能载体的，其实便是电池傍边的锂元素，其他物质都是“废物”，可是要取得安稳的、继续的、安全的电能载体，这些“废物”又是不可或缺的。举个比如，一块锂离子电池傍边，锂元素的质量占比一般也就在1%多一点，其他99%的成分都是不承当能量存储功用的其他物质。爱迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天分，看来这个道理放之四海皆准啊，1%是红花，剩余的99%便是绿叶，少了哪个都不可。

　　那么要进步能量密度，咱们首要想到的便是进步锂元素的份额，一同要让尽或许多的锂离子从正极跑出来，移动到负极，然后还得从负极原数回来正极(不能变少了)，循环往复的转移能量。

　　进步正极活性物质占比，首要是为了进步锂元素的占比，在同一个电池化学系统中，锂元素的含量上去了(其他条件不变)，能量密度也会有相应的进步。所以在必定的体积和分量约束下，咱们期望正极活性物质多一些，再多一些。

　　这个其实是为了合作正极活性物质的添加，需求更多的负极活性物质来包容游过来的锂离子，存储能量。假如负极活性物质不行，多出来的锂离子会沉积在负极外表，而不是嵌入内部，呈现不可逆的化学反应和电池容量衰减。

　　正极活性物质的占比是有上限的，不能无约束进步。在正极活性物质总量必定的情况下，只要尽或许多的锂离子从正极脱嵌，参加化学反应，才干进步能量密度。所以咱们期望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也便是比容量方针要高。

　　这便是咱们研讨和挑选不同的正极资料的原因，从钴酸锂到磷酸铁锂，再到三元资料，都是奔着这个方针去的。

　　前面现已剖析过，钴酸锂可以抵达137mAh/g，锰酸锂和磷酸铁锂的实践值都在120mAh/g左右，镍钴锰三元则可以抵达180mAh/g。假如要再往上进步，就需求研讨新的正极资料，并取得产业化开展。

　　相对而言，负极资料的比容量还不是锂离子电池能量密度的首要瓶颈，可是假如进一步进步负极的比容量，则意味着以质量更少的负极资料，就可以包容更多的锂离子，然后抵达进步能量密度的方针。

　　以石墨类碳资料做负极，理论比容量在372mAh/g，在此基础上研讨的硬碳资料和纳米碳资料，则可以将比容量进步到600mAh/g以上。锡基和硅基负极资料，也可以将负极的比容量进步到一个很高的量级，这些都是当时研讨的热门方向。

　　除了正负极的活性物质之外，电解液、阻隔膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体资料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池分量的份额在40%左右。假如可以减轻这些资料的分量，一同不影响电池的功能，那么相同也可以进步锂离子电池的能量密度。

　　在这方面做文章，就需求针对电解液、阻隔膜、粘结剂、基体和集流体、壳体资料、制作工艺等方面进行具体的研讨和剖析，然后找出合理的计划。各个方面都改进一些，就可以将电池的能量密度全体进步一个起伏。

　　从以上的剖析可以看出，进步锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改进制作工艺、进步现有资料功能、以及开发新资料和新化学系统这几个方面下手，寻觅短期、中期和长时刻的处理计划。

　　锂离子电池的充放电倍率，决议了咱们可以以多快的速度，将必定的能量存储到电池里边，或许以多快的速度，将电池里边的能量开释出来。当然，这个存储和开释的进程是可控的，是安全的，不会显着影响电池的寿数和其他功能方针。

　　倍率方针，在电池作为电动工具，尤其是电动交通工具的能量载体时，显得尤为重要。想象一下，假如你开着一辆电动车去就事，半路发现快没电了，找个充电站充电，充了一个小时还没充溢，估量要办的工作都耽误了。又或许你的电动汽车在爬一个陡坡，不管怎样踩油门(电门)，车子却慢的像乌龟，使不上劲，自己恨不得下来推车。

　　明显，以上这些场景都是咱们不期望看到的，可是却是当时锂离子电池的现状，充电耗时久，放电也不能太猛，不然电池就会很快变老，乃至有或许发生安全问题。可是在许多的使用场合，咱们都需求电池具有大倍率的充放电功能，所以咱们又一次卡在了“电池”这儿。为了锂离子电池取得更好的开展，咱们有必要搞清楚，都是哪些要素在约束电池的倍率功能。

　　锂离子电池的充放电倍率功能，与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的搬迁才能直接相关，全部影响锂离子搬迁速度的要素(这些影响因子也可等效为电池的内阻)，都会影响锂离子电池的充放电倍率功能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率功能的一个重要要素，假如散热速率慢，大倍率充放电时所堆集的热量无法传递出去，会严峻影响锂离子电池的安全性和寿数。因而，研讨和改进锂离子电池的充放电倍率功能，首要从进步锂离子搬迁速度和电池内部的散热速率两个方面着手。

　　锂离子在正/负极活性物质内部的脱嵌和嵌入的速率，也便是锂离子从正/负极活性物质里边跑出来的速度，或许从正/负极外表进入活性物质内部找个方位“落户”的速度到底有多快，这是影响充放电倍率的一个重要要素。

　　举个比如，全球每年都有会许多的马拉松竞赛，尽管咱们根本同一时刻动身，可是路途宽度有限，参加的却人许多(有时多达上万人)，构成彼此拥堵，加上参加人员的身体素质良莠不齐，竞赛的部队最后会变成一个超长的阵线。有人很快抵达结尾，有人晚到几个小时，有人跑到晕厥，半路就歇菜了。

　　锂离子在正/负极的分散和移动，与马拉松竞赛根本差不多，跑得慢的，跑得快的都有，加上各自挑选的路途犬牙交错，严峻约束了竞赛完毕的时刻(所有人都跑完)。所以呢，咱们不期望跑马拉松，最好咱们都跑百米，间隔满足短，所有人都可以快速抵达结尾，别的，跑道要满足的宽，不要彼此拥堵，路途也不要弯曲弯曲，直线是最好的，要下降竞赛难度。如此一来，裁判一声令响，千军万马一同奔向结尾，竞赛快速完毕，倍率功能优异。

　　在正极资料处，咱们期望极片要满足的薄，也便是活性资料的厚度要小，这样等于缩短了赛跑的间隔，所以期望尽或许的进步正极资料压实密度。在活性物质内部，要有满足的孔空隙，给锂离子留出竞赛的通道，一同这些“跑道”散布要均匀，不要有的当地有，有的当地没有，这就要优化正极资料的结构，改动粒子之间的间隔和结构，做到均匀散布。以上两点，其实是彼此对立的，进步压实密度，尽管厚度变薄，可是粒子空隙会变小，跑道就会显得拥堵，反之，坚持必定的粒子空隙，不利于把资料做薄。所以需求寻觅一个平衡点，以抵达最佳的锂离子搬迁速率。

　　此外，不同资料的正极物质，对锂离子的分散系数有显着影响。因而，挑选锂离子分散系数比较高的正极资料，也是改进倍率功能的重要方向。

　　负极资料的处理思路，与正极资料相似，也是首要从资料的结构、尺度、厚度等方面着手，减小锂离子在负极资猜中的浓度差，改进锂离子在负极资猜中的分散才能。以碳基负极资料为例，近年来针对纳米碳资料的研讨(纳米管、纳米线、纳米球等)，替代传统的负极层状结构，就可以显着的改进负极资料的比外表积、内部结构和分散通道，然后大起伏进步负极资料的倍率功能。

　　游水竞赛，怎样下降水(电解液)的阻力，就成为速度进步的要害。近年来，游水运动员遍及穿戴鲨鱼服，这种泳衣可以极大的下降水在人体外表构成的阻力，然后进步运动员的竞赛成果，而且成为十分有争议的论题。

　　锂离子要在正、负极之间来回络绎，就好像在电解质和电池壳体所构成的“游水池”里边游水，电解质的离子电导率好像水的阻力相同，对锂离子游水的速度有十分大的影响。现在锂离子电池所选用的有机电解质，不管是液体电解质，仍是固体电解质，其离子电导率都不是很高。电解质的电阻成为整个电池电阻的重要组成部分，对锂离子电池高倍率功能的影响不容忽视。

　　除了进步电解质的离子电导率之外，还需求侧重重视电解质的化学安稳性和热安稳性。在大倍率充放电时，电池的电化学窗口改动规模十分宽，假如电解质的化学安稳性欠好，简单在正极资料外表氧化分化，影响电解质的离子电导率。电解液的热安稳性则对锂离子电池的安全性和循环寿数有十分大的影响，由于电解质受热分化时会发生许多气体，一方面临电池安全构成危险，另一方面有些气体对负极外表的SEI膜发生损坏效果，影响其循环功能。

　　因而，挑选具有较高的锂离子传导才能、杰出的化学安稳性和热安稳性、且与电极资料匹配的电解质是进步锂离子电池倍率功能的一个重要方向。

　　这儿涉及到几种不同的物质和物质之间的界面，它们所构成的电阻值，但都会对离子/电子的传导发生影响。

　　一般在正极活性物质内部会添加导电剂，然后下降活性物质之间、活性物质与正极基体/集流体的触摸电阻，改进正极资料的电导率(离子和电子电导率)，进步倍率功能。不同资料不同形状的导电剂，都会对电池的内阻发生影响，然后影响其倍率功能。

　　正负极的集流体(极耳)是锂离子电池与外界进行电能传递的载体，集流体的电阻值对电池的倍率功能也有很大的影响。因而，经过改动集流体的原料、尺度巨细、引出方法、衔接工艺等，都可以改进锂离子电池的倍率功能和循环寿数。

　　电解质与正负极资料的滋润程度，会影响电解质与电极界面处的触摸电阻，然后影响电池的倍率功能。电解质的总量、粘度、杂质含量、正负极资料的孔隙等，都会改动电解质与电极的触摸阻抗，是改进倍率功能的重要研讨方向。

　　锂离子电池在第一次循环的进程中，跟着锂离子嵌入负极，在负极会构成一层固态电解质(SEI)膜，SEI膜尽管具有杰出的离子导电性，可是依然会对锂离子的分散有必定的阻止效果，尤其是大倍率充放电的时分。跟着循环次数的添加，SEI膜会不断掉落、剥离、沉积在负极外表，导致负极的内阻逐步添加，成为影响循环倍率功能的要素。因而，操控SEI膜的改动，也可以改进锂离子电池长时刻循环进程中的倍率功能。

　　此外，阻隔膜的吸液率和孔隙率也对锂离子的经过性有较大的影响，也会必定程度上影响锂离子电池的倍率功能(相对较小)。