鋰電池組是一種高容量長壽命環(huán)保電池,具有諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動汽車和儲能等領(lǐng)域。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以電動汽車為代表的動力、儲能等領(lǐng)域?qū)?/span>鋰電池組的比能量、壽命、安全性和成本提出了更高的要求。 而鋰電池組是一個復(fù)雜系統(tǒng),其性能不僅取決于電極材料、電解液和隔膜,同時電芯的結(jié)構(gòu)、制造設(shè)備與工藝、環(huán)境、電芯成組和生產(chǎn)管控對其也有重大影響。

目前,電池技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在電極材料的改性優(yōu)化、新材料的開發(fā)、電化學(xué)過程與機(jī)理研究,以及新型電池的探索等方面。材料是電池的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)與合成性能更優(yōu)的新材料是不斷提高電池性能的手段之一,然而鋰電池組的性能與電池內(nèi)電子的傳輸、鋰離子在固相或電解液中的傳輸及其嵌入/脫嵌等物理化學(xué)過程密切相關(guān)。除了電極材料的固有特性外, 鋰離子電池極片微觀結(jié)構(gòu)對這些過程也具有重要的影響。

目前,為了解決電動汽車?yán)m(xù)航里程問題,提高能量密度是鋰電池組發(fā)展的一個重要方向。制備高涂布量的超厚極片是提升電池比能量的一個較直接的辦法,這樣可以有效降低非活性物質(zhì)所占的比重,如集流體、極耳、電池殼體等。隨著極片厚度的增加,較低倍率下,電池比能量相應(yīng)增加;然而在較高倍率下,鋰離子擴(kuò)散動力學(xué)受限,電極活性物質(zhì)利用率隨之下降,電池能量密度受損。因此,對于厚極片,為了在保證高載量的同時確保鋰離子擴(kuò)散速度以及活性物質(zhì)的充分利用,設(shè)計(jì)和優(yōu)化電極的微觀結(jié)構(gòu)更加重要。

由于具有很高的比容量,發(fā)展硅基負(fù)極也是提高鋰電池組能量密度較有效的途徑之一。然而,作為活性物質(zhì),硅材料存在的主要問題有:充放電時,體積膨脹達(dá)300%~400%;與鋰合金化后,晶體硅體積出現(xiàn)明顯的變化,這樣的體積效應(yīng)極易造成硅負(fù)極材料粉化,并且從集流體上剝離下來。而且由于硅體積效應(yīng)造成的剝落情況會引起固體電解質(zhì)膜(SEI)的反復(fù)破壞與重建,從而加大了鋰離子的消耗,后來影響電池的容量。

不可逆容量高、庫倫效率低導(dǎo)致鋰電池組實(shí)際容量低、循環(huán)壽命差。目前研究者正在通過硅粉納米化,硅碳包覆、摻雜和粘結(jié)劑優(yōu)化等手段解決這些問題。而硅基電極設(shè)計(jì)方面同樣需要優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)。此外,鋰電池組的能量密度和功率密度是兩個重要的參數(shù),但二者又是相互矛盾的,如何通過電極微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來平衡這二者也是電極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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