文章链接：

• 高负载高功率锂离子电池电极结构设计（点击阅读）

文字提纲：高功率电池设计策略

1. 材料选型    

• 正极材料    

• 种类

• 锂扩散难易程度：尖晶石锰酸锂＞钴酸锂＞三元材料＞磷酸铁锂

• 粒径

• 材料小粒径化可以增加活性物质的比表面积，缩短Li+扩散路径

• 粒径越小，材料的振实密度越低，会在一定程度上影响能量密度

• 高比表面积的多孔结构，使活性材料与电解接触更充分，更有利于Li+的快速嵌入和脱出

• 表面包覆

• 改善材料的界面性能

• 稳定材料晶体结构和表面形貌

• 抑制过渡金属离子溶出

• 减少活性物质与电解液的界面副反应

• 包覆层具有良好的电子导电性和一定的孔道，利于电子的传导和Li+的扩散

• 掺杂

• 抑制结构相变

• 降低氧化活性，减缓副反应

• 负极材料    

• 种类

• 石墨

• 层状结构，高度的各向异性，Li+从端面嵌入

• MCMB

• 球状结构，允许Li+从各个方向嵌入和脱出，是功率型电芯优选的负极材料之一

• 粒径

• 粒径越小，倍率性能和循环性能通常更好

• 粒径越小，首次效率和压实密度会降低

• 包覆

• 快充石墨常用软硬炭包覆

• 掺杂

• 非金属元素掺杂可以改变石墨的电子状态，更容易得到电子，进一步增加Li+的嵌入量。

• 隔膜选择    

• 选择孔隙率大、透气度高、厚度薄的隔膜，可以降低Li+迁移阻力，提高Li+迁移速度，降低电池极化

• 电解液    

• 基础溶剂

• 环状碳酸脂具有较大的介电常数，更容易使锂盐溶解或解离，但粘度也更大，导致Li+迁移速度变慢

• 线状碳酸脂介电常数小，锂盐解离能力弱，但粘度低，有利于Li+的快速迁移

• 基础溶剂体系通常是环状碳酸脂和线状碳酸脂搭配使用

• 锂盐浓度

• 电解液粘度随着锂盐浓度增加而持续增加，但电导率变化规律是先增加后下降

• 集流体    

• 厚度

• 厚度越大，电阻越小，电池欧姆阻抗更小，充放电极化更小

• 功能涂层

• 集流体表面涂炭处理可以增强吸液能力，提高活性物质与集流体之间的粘附力，降低接触内阻等

• 辅材选择    

• 粘结剂

• 导电剂

1. 结构设计    

• 极耳设计    

• 极耳尺寸

• 极耳横截面积增加到一定程度时，过流能力充足，再继续增加极耳横截面积对降低电池温升效果不显著

• 极耳位置

• 卷绕电池中，当极耳焊接位置在集流体中间时，内阻最小，当极耳焊接在集流体端部时，其内阻是中间的4倍

• 叠片电池中，正负极耳均在对侧，且位于电池宽度的中间位置，此时极化最小

• 极耳数量

• 极耳数量越多，内阻越小，极化和产热均较小

• 全极耳

1. 电极设计    

• 导电剂比例    

• 理论上，导电剂含量越多，极片的电导率越高，电池的内阻越小

• 实际上导电剂过多容易出现团聚，阻断活性颗粒之间的电连接，反而会导致倍率性能变差。

• 面密度    

• 面密度越小，电极越薄，Li+的扩散距离越短，大大降低浓差极化

• 压实密度    

• 压实密度越低，电极的孔隙率增大，Li+在活性材料中的扩散阻力变小

• 但压实密度过低，可能导致颗粒之间接触不良，电子导电性下降，电化学反应极化增加

• N/P设计    

• 随着N/P增加，负极充电最低电位更高，意味着析锂风险越低

• 但高N/P抬高了正极电位，导致正极长期处于深度脱嵌锂状态，导致过渡金属溶出，材料结构破坏

• 特殊电极结构    

• 活性颗粒、导电剂分层分布

• 低迂曲度垂直孔道结构

• 梯度结构电极

1. 充电策略    

• 化成工艺    

• 前期，大量电子汇聚在石墨颗粒表面，更容易发生双电子反应，形成的SEI膜成分主要是致密的无机锂盐

• 后期，电子需要穿越SEI膜才能参与成膜反应，到达反应点的电子数量减少，此时更容易发生单电子反应，形成的SEI膜成分主要是疏松多孔的有机锂盐。

• 采用较短的充电时间和较大的电流形成的SEI膜阻抗更小

• 小电流化成形成的SEI膜结构更致密，阻抗更大，但同时稳定性也更好

• 高压过充    

• 提高充电截止电压，增加充电截止电流，从而实现相同的充电容量下，大幅减少充电时间。

• 阶梯充电    

• 低SOC区间采用大电流充电，高SOC区间采用小电流充电，通过提升平均充电电流，从而减少充电时间

• 脉冲充电    

• 通过脉冲电流和脉冲占空比（即脉冲时间与总充电时间之比）来控制充入的容量和间歇时间，进而有效的消除充电极化，实现快速充电。