鋰離子電池的結構設計與提高鋰電池能量密度的三方法介紹

　　隨著鋰離子電池技術的不斷發展，我們也對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，我們希望鋰離子電池更小、更輕便、儲能更多，這些訴求也在推動著鋰離子電池研究工作不斷前進。從電池結構和新材料、新體系的采用，可愛的鋰離子電池研究者們不斷嘗試各種方法提高鋰離子電池能量密度的方法。

　　1.結構設計

　　提高鋰離子電池的比能量從結構上講，要提高正負極活性物質在鋰離子電池中所占的比例。鋰離子電池主要由正負極活性物質、隔膜、銅箔、鋁箔和殼體及結構件等部分組成，其中真正能夠為鋰離子電池提供容量的只有活性物質，因此提高活性物質在鋰離子電池中所占的比重才是最有效的提高鋰離子電池手段。例如最近特斯拉在大力推動的21700電池，就是通過使用直徑更大的電芯（21mm），增加電芯的高度（70mm）提高活性物質占比，減少結構件等非活性材料的比重，提高鋰離子電池的比能量，降低單位瓦時成本。此外軟包電池也是減少結構件重量的有效方法，通過使用鋁塑膜代替傳統的鋼制外殼，可以極大的減少結構件在鋰離子電池中所占的比重。

　　除了增大鋰離子電池的直徑，另外一個有效提高鋰離子電池比能量的方法是減少隔膜的厚度，目前常見的PP-PE-PP三層復合隔膜的厚度一般達到30um以上，達到正負極極片的厚度的20%左右，這也造成了嚴重的空間浪費，為了減少隔膜所占的空間，目前廣大鋰離子電池廠家普遍采用帶有涂層的薄隔膜，這些隔膜的厚度可達到20um以下，可以在保證鋰離子電池安全的前提下，顯著的減少隔膜所占的體積比例，提高活性物質占比，提高鋰離子電池比能量。

　　另外的一種增加活性物質比例的方法是從電池的生產工藝的角度入手，首先是增加活性物質在電極中占比。一般鋰離子電池的電極主要由四大部分組成，活性物質、導電劑、粘結劑和集流體組成，為了提高活性物質比例，就需要降低其他部分的比例，通過采用新型導電劑、粘結劑從而減少導電劑和粘結劑的比例，采用更薄的集流體來減少非活性物質的所占的比例。其次，需要提高正負極的涂布量，但是提高電極的涂布量還面臨的一個問題：當電極過厚時會造成電極的Li+擴散動力學條件變差，影響鋰離子電池的倍率和循環性能，為了解決這一問題德國卡爾斯魯厄理工學院的Boris Bitsch等［1］利用毛細懸濁液和多層電極工藝制備了具有梯度孔隙率的高性能厚電極。在靠近銅箔的低層，Boris Bitsch等采用了普通漿料，使得其具有較低的孔隙率和良好的導電性，而在遠離銅箔的表層，Boris Bitsch則采用了毛細懸濁液漿料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明顯增加，改善了電極的動力學條件，從而使得該電極的孔隙率自下而上呈現出逐漸增加的特性，顯著改善了厚電極的動力學條件，提高了厚電極的電化學性能，從而實現了在提高電池重量和體積比能量的同時不降低電池的循環性能。

　　提高鋰離子電池比能量的另外一個重要的方法就是控制電解液的數量，減少電解液的數量可以有效的提高鋰離子電池的能量密度。電解液在鋰離子電池內部起到一個媒介的作用，正負極的Li+通過電解液進行擴散，因此電解液理論上來講是一種“非消耗品”，只要有少量的電解液保證Li+在正負極之間自由擴散就行了，但是實際上由于在化成過程中SEI膜的形成導致電解液分解，以及在循環過程中SEI膜破壞和正極氧化等原因造成的電解液分解，導致電解液在實際上是持續消耗的，因此電池內的電解液一般而言都是過量的，這也是導致鋰離子電池比能量低的一個重要原因，為了減少電解液量，同時保證電池的性能，需要我們對電解液溶劑體系和電解液添加劑體系進行改進，提高電解液的穩定性。為了改善電解液在三元材料NMC電池中的穩定性，德國明斯特大學的Yunxian Qian等［2］向傳統的EC和EMC（重量比為3:7）為溶劑的電解液中添加了少量的FEC添加劑，發現FEC添加劑能夠有效的減少電解液的分解，提高NMC電池的首次庫倫效率，并顯著改善電池的循環穩定性。