商业化电池的极片面容量一般都是多少？

面容量是极片设计的一个重要参数，具体是指极片单位面积上存储的容量，通常以mAh/cm^2或Ah/m^2等单位来表示。面容量的大小直接影响着电池的能量密度和功率密度，因此在极片设计中，需要根据电池的应用需求来合理设计极片的面容量，以实现对电池性能的最佳平衡。

较高的面容量需要更高的极片涂层负载来实现，从而在相同的压实密度条件下极片的厚度越大。这种厚电极设计可以通过降低电池的非活性组分的比例来显著增加活性材料负载，从而提高电池能量密度并降低成本。据粗略计算，如果电极厚度从 25 μm（≈8 mg/cm2活性材料负载量）增加到 200 μm（≈64 mg/cm2活性材料负载量），电池中的非活性组分比例将从 44 wt% 降低到 12 wt%，这相当于活性材料负载量增加 30 wt% 以上，从而提升了整体电池能量密度（图1a）。然而，增加电极厚度将导致电荷（电子和离子）传输距离和电阻成比例增加。厚电极的电荷转移动力学较差，锂离子需要更多时间才能到达电极中的存储位点，最终导致电池倍率性能下降和电池能量密度提升有限（图 1b）。此外，在干燥过程中，厚电极的断裂和分层也为制造稳定的电极带来了巨大挑战（图1c）。因此，电极的面容量或者说电极厚度存在一个最优化的区间，此时电池能量密度才能达到最大值（图 1b）。      

图1  厚电极设计的机遇与挑战

那么，目前商业化的电池的极片涂层的面容量一般都是多少呢？这里根据商业电池的分析资料和商业电池的拆解信息，归纳总结了极片的面容量，以了解商业电池的极片面容量设计。面容量的测试计算方法主要包括两种：

（1）将商业电池拆解后的极片去处一侧涂层，单侧涂层极片组装成纽扣电池，测试容量，从而根据测得的容量和极片面积计算面容量。此时，一般会采用较小的测试倍率，面容量更接近设计理论值。

（2）根据测试获得或者电池的额定容量，以及拆解测得的极片涂层面积，计算正极极片面容量，负极面容量按照N/P=1.1计算。此时，所计算的面容量可能会比第一种方法更低。    

详细的结果如下表所示：

如图2所示，正极面容量与电池功率能量比的关系。电池的功率和能量的比值越大，说明功率特性越好；电池的功率和能量的比值越小，说明能量密度更高。电池设计主要分为两类：功率型电池和能量型电池，功率型电池倍率性能更好但是能量密度偏低，极片采用低面容量的薄极片设计原则。而能量型电池能量密度比较高但是功率特性更低，极片采用高面容量的厚极片设计。    

图2  正极面容量与电池功率能量比的关系

以上电池中，A123公司在2009年生产的18650磷酸铁锂电池的极片面容量最低，仅1.27mAh/cm2，该款电池是功率型电池，超薄极片设计极大降低锂离子扩散和传输阻力，具有高功率和超快充特点。  

LG化学的HB2和HB418650电池也采用薄极片设计，面容量小于2.0mAh/cm2，属于典型的功率型电池。

特斯拉生产的4680电池面容量最高，达到4.91mAh/cm2，这款电池负极采用干法电极工艺，避免了湿法涂布干燥工艺的极片厚度设计，石墨负极厚度达到250多微米，面容量可能达到5.4mAh/cm，因此配套的正极面容量也很高，但是由于电池壳体较厚，零部件余量设计比较大，4680电池能量密度并不是太高，不过提升空间很大。     

松下生产用于特斯拉汽车的18650、21700电池极片面容量设计也比较高。此外，LG化学的E78软包电池、三星的48G21700电池面容量也很高。这些电池面容量设计均大于4.0mAh/cm2。    

其他大部分电池的极片面容量设计范围在2.5~4.0 mAh/cm2之间。          

参考资料及其解析：

[1] Y. Kuang, C. Chen, D. Kirsch, L. Hu, Thick Electrode Batteries: Principles, Opportunities, and Challenges. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901457

[2] 特斯拉Model S用18650电池详细解析

[3] Michael J. Lain, James Brandon and Emma Kendrick, Design Strategies for High Power vs. High Energy Lithium Ion Cells, Batteries 2019, 5, 64

[4] 特斯拉用21700电池详细解析

[5]特斯拉4680电池拆解原始数据下载

[6]大众ID.3新能源汽车用LG 78 Ah软包电池拆解和表征

[7]比亚迪刀片电池拆解详情

[8]Tesla Model 3用宁德时代方形LFP电池拆解分析