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手把手带你认识锂离子电池 (四)

21Dianyuan2020-05-22 15:56:55

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接下来的内容,我们将就锂离子电池与能量相关的两个关键指标:能量密度 充放电倍率,展开一些简短的论述。 


能量密度,是单位体积或重量可以存储的能量多少,这个指标当然是越高越好,凡是浓缩的都是精华嘛。


充放电倍率,是能量存储和释放的速度,最好是秒速,瞬间存满或释放,召之即来挥之即去。 

当然,这些都是理想,实际上受制于各种各样的现实因素,我们既不可能获得无限的能量,也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制,达到更高的等级,就是需要我们去解决的难题。



锂离子电池的能量密度 

可以说,能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机,还是电动汽车,人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级,使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。 


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提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言,相对于人类对能量的需求程度而言,显得太慢了。甚至有人戏言,人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然,如果哪一天能够实现全球电力无线传输,到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样),那么人类也就不再需要电池了,社会发展自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目标,期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标,基本上都指向 300Wh/kg 这一数值,相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标,则要达到 500Wh/kg,甚至 700Wh/kg,电池行业必须要有化学体系的重大突破,才有可能实现这一目标。 


影响锂离子电池能量密度的因素有很多,就锂离子电池现有的化学体系和结构而言,具体都有哪些明显的限制呢? 


前面我们分析过,充当电能载体的,其实就是电池当中的锂元素,其他物质都是“废物”,可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体,这些“废物”又是不可或缺的。举个例子,一块锂离子电池当中,锂元素的质量占比一般也就在1%多一点,其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言,成功是99%的汗水加上1%的天赋,看来这个道理放之四海皆准啊,1%是红花,剩下的99%就是绿叶,少了哪个都不行。

 
那么要提高能量密度,我们首先想到的就是提高锂元素的比例,同时要让尽可能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返回正极(不能变少了),周而复始的搬运能量。 

 提高正极活性物质的占比 
提高正极活性物质占比,主要是为了提高锂元素的占比,在同一个电池化学体系中,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提升。所以在一定的体积和重量限制下,我们希望正极活性物质多一些,再多一些。 

❷ 提高负极活性物质的占比 
这个其实是为了配合正极活性物质的增加,需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子,存储能量。如果负极活性物质不够,多出来的锂离子会沉积在负极表面,而不是嵌入内部,出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。 

 提高正极材料的比容量(克容量) 
正极活性物质的占比是有上限的,不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下,只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌,参与化学反应,才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高,也就是比容量指标要高。 


这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因,从钴酸锂到磷酸铁锂,再到三元材料,都是奔着这个目标去的。 


前面已经分析过,钴酸锂可以达到 137mAh/g,锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在 120mAh/g 左右,镍钴锰三元则可以达到 180mAh/g。如果要再往上提升,就需要研究新的正极材料,并取得产业化进展。 

❹ 提高负极材料的比容量 
相对而言,负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈,但是如果进一步提升负极的比容量,则意味着以质量更少的负极材料,就可以容纳更多的锂离子,从而达到提升能量密度的目标。 


以石墨类碳材料做负极,理论比容量在 372mAh/g,在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料,则可以将比容量提高到 600mAh/g 以上。锡基和硅基负极材料,也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级,这些都是当前研究的热点方向。 

❺ 减重瘦身 
除了正负极的活性物质之外,电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体 材料等,都是锂离子电池的“死重”,占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻 这些材料的重量,同时不影响电池的性能,那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。


在这方面做文章,就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析,从而找出合理的方案。各个方面都改善一些,就 可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。 

从以上的分析可以看出,提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程,要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手,寻找短期、中 期和长期的解决方案。 



锂离子电池的充放电倍率 

锂离子电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。当然,这个存储和释放的过程是可控的,是安全的,不会显著影响电池的寿命和其他性能指标。 

倍率指标,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。设想一下,如果你开着一辆电动车去办事,半路发现快没电了,找个充电站充电,充了一个小时还没充满,估计要办的事情都耽误了。又或者你的电动汽车在爬一个陡坡,无论怎么踩油门(电门),车子却慢的像乌龟,使不上劲,自己恨不得下来推车。 


显然,以上这些场景都是我们不希望看到的,但是却是当前锂离子电池的现状,充电耗时久,放电也不能太猛,否则电池就会很快衰老,甚至有可能发生安全问题。但是在许多的应用场合,我们都需要电池具有大倍率的充放电性能,所以我们又一次卡在了“电池”这儿。为了锂离子电池获得更好的发展,我们有必要搞清楚,都是哪些因素在限制电池的倍率性能。 

锂离子电池的充放电倍率性能,与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关,一切影响锂离子迁移速度的因素(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性能。此外,电池内部的散热速率,也是影响倍率性能的一个重要因素,如果散热速率慢,大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去,会严重影响锂离子电池的安全性和寿命。



因此,研究和改善锂离子电池的充放电倍率性能,主要从提高锂离子迁移速度和电池内部的散热速率两个方面着手


① 提高正、负极的锂离子扩散能力 

② 提高电解质的离子电导率 


* 了解锂离子电池的基本原理,点击查看《手把手带你认识锂离子电池(一)》;

* 了解锂离子电池的参数指标,点击查看《手把手带你认识锂离子电池(二)》;

* 了解锂离子电池的正负极的材料,点击查看《手把手带你认识锂离子电池(三)》;


(未完,待续)

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