接下來的內(nèi)容，我們將就鋰離子電池與能量相關(guān)的兩個關(guān)鍵指標(biāo)：能量密度和充放電倍率，展開一些簡短的論述。
簡析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
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(biāo)當(dāng)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(dāng)然，這些都是理想，實際上受制于各種各樣的現(xiàn)實因素，我們既不可能獲得無限的能量，也不可能實現(xiàn)能量的瞬間轉(zhuǎn)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?nèi)ソ鉀Q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(dāng)前鋰離子電池發(fā)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(chǎn)品的續(xù)航時間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。
簡析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
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(yè)規(guī)模的發(fā)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(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)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(xiàn)狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實現(xiàn)這一目標(biāo)。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學(xué)體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
前面我們分析過，充當(dāng)電能載體的，其實就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)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(dāng)中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點，其余99%的成分都是不承擔(dān)能量存儲功能的其他物質(zhì)。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(zhǔn)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(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極(不能變少了)，周而復(fù)始的搬運能量。
1. 提高正極活性物質(zhì)的占比
提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個電池化學(xué)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(yīng)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(zhì)多一些，再多一些。
2. 提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比
這個其實是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來的鋰離子會沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)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(zhì)的占比是有上限的，不能無限制提升。在正極活性物質(zhì)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(xué)反應(yīng)，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(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)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(biāo)去的。
前面已經(jīng)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(chǎn)業(yè)化進展。
4. 提高負(fù)極材料的比容量
相對而言，負(fù)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(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)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(biāo)。
以石墨類碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)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(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個很高的量級，這些都是當(dāng)前研究的熱點方向。
5. 減重瘦身
除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)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(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進行詳細(xì)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(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開發(fā)新材料和新化學(xué)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(dāng)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(biāo)。
倍率指標(biāo)，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(shè)想一下，如果你開著一輛電動車去辦事，半路發(fā)現(xiàn)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(dāng)前鋰離子電池的現(xiàn)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(fā)生安全問題。但是在許多的應(yīng)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(fā)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。
簡析鋰離子電池的兩大性能指標(biāo)：能量密度與充放電倍率
鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負(fù)極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關(guān)，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(nèi)阻)，都會影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外，電池內(nèi)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(yán)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(nèi)部的散熱速率兩個方面著手。
1. 提高正、負(fù)極的鋰離子擴散能力
鋰離子在正/負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負(fù)極活性物質(zhì)里面跑出來的速度，或者從正/負(fù)極表面進入活性物質(zhì)內(nèi)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(fā)，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(zhì)參差不齊，比賽的隊伍最后會變成一個超長的戰(zhàn)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(fù)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(yán)重制約了比賽結(jié)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(jié)束，倍率性能優(yōu)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(zhì)內(nèi)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?jīng)]有，這就要優(yōu)化正極材料的結(jié)構(gòu)，改變粒子之間的距離和結(jié)構(gòu)，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(zhì)，對鋰離子的擴散系數(shù)有顯著影響。因此，選擇鋰離子擴散系數(shù)比較高的正極材料，也是改善倍率性能的重要方向。
負(fù)極材料的處理思路，與正極材料類似，也是主要從材料的結(jié)構(gòu)、尺寸、厚度等方面著手，減小鋰離子在負(fù)極材料中的濃度差，改善鋰離子在負(fù)極材料中的擴散能力。以碳基負(fù)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(tǒng)的負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)，就可以顯著的改善負(fù)極材料的比表面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和擴散通道，從而大幅度提升負(fù)極材料的倍率性能。
2. 提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率
鋰離子在正/負(fù)極材料里面玩的是賽跑，在電解質(zhì)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(guān)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(fù)極之間來回穿梭，就如同在電解質(zhì)和電池殼體所構(gòu)成的“游泳池”里面游泳，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)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(zhì)，不管是液體電解質(zhì)，還是固體電解質(zhì)，其離子電導(dǎo)率都不是很高。電解質(zhì)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(zhì)的離子電導(dǎo)率之外，還需要著重關(guān)注電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在大倍率充放電時，電池的電化學(xué)窗口變化范圍非常寬，如果電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性不好，容易在正極材料表面氧化分解，影響電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。電解液的熱穩(wěn)定性則對鋰離子電池的安全性和循環(huán)壽命有非常大的影響，因為電解質(zhì)受熱分解時會產(chǎn)生很多氣體，一方面對電池安全構(gòu)成隱患，另一方面有些氣體對負(fù)極表面的SEI膜產(chǎn)生破壞作用，影響其循環(huán)性能。
因此，選擇具有較高的鋰離子傳導(dǎo)能力、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、且與電極材料匹配的電解質(zhì)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(nèi)阻
這里涉及到幾種不同的物質(zhì)和物質(zhì)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(dǎo)產(chǎn)生影響。
一般在正極活性物質(zhì)內(nèi)部會添加導(dǎo)電劑，從而降低活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與正極基體/集流體的接觸電阻，改善正極材料的電導(dǎo)率(離子和電子電導(dǎo)率)，提升倍率性能。不同材料不同形狀的導(dǎo)電劑，都會對電池的內(nèi)阻產(chǎn)生影響，進而影響其倍率性能。
正負(fù)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(zhì)、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(huán)壽命。
電解質(zhì)與正負(fù)極材料的浸潤程度，會影響電解質(zhì)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(zhì)的總量、粘度、雜質(zhì)含量、正負(fù)極材料的孔隙等，都會改變電解質(zhì)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(huán)的過程中，隨著鋰離子嵌入負(fù)極，在負(fù)極會形成一層固態(tài)電解質(zhì)(SEI)膜，SEI膜雖然具有良好的離子導(dǎo)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(huán)次數(shù)的增加，SEI膜會不斷脫落、剝離、沉積在負(fù)極表面，導(dǎo)致負(fù)極的內(nèi)阻逐漸增加，成為影響循環(huán)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(huán)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)。
