倍率提升大作戰：我們都有哪些方法提升鋰離子電池倍率性能

對于動力鋰離子電池，最受關注的指標是能量密度和功率密度。能量密度與車輛的續航里程有關，功率密度與電動汽車的動態性能有關。如何提高鋰離子電池的倍率性能？設計師有自己獨特的見解。小編敢在這里談談我對提高鋰離子電池倍率性能的一些想法，希望能引起更多的關注。1.材料選擇一般來說，提高動力電池的倍率性能主要從材料的選擇開始。例如，我們在文章《離子傳導和電子傳導傻嗎？》中寫道，你想知道的都在這里！

介紹了常見的高鎳三元材料與傳統鈷酸鋰材料在離子導電性和電子導電性方面的比較。在20℃的室溫下，LCO材料的最低電子電導率僅為5x10-8S/cm，而NCM111材料的最低電導率可達2.2x10-6S/cm。隨著鎳含量的進一步增加，三元材料的電子電導率也明顯提高。NCM8111材料的電子電導率為4.1x10-3S/cm，離子電導率也呈現出相同的趨勢。在20℃時，LCO材料的離子電導率僅為2.3x10-7S/cm，而NCM111材料的離子導電率為3.2x10-6S/cm，NCM622材料的離子傳導率為1.7x10-3S/cm。NCM811材料已達到6.3x10-3S/cm，因此三元材料，特別是高鎳三元材料或NCA材料，在電子導電性和離子導電性方面更適合用于倍率鋰離子電池。當然，除了材料的這些固有特性外，它的倍率性能還受到形態等多種因素的影響，例如小顆粒的表面積更大，Li+在顆粒中的擴散距離更短，因此理論上它會有更好的倍率性能。陽極材料有很多種，如小顆粒石墨材料和中間相材料，它們都具有良好的倍率性能。澳大利亞CSIRO能源與技術部S.R.Sivakkumar、J.Y.Nerkar、A.G.Pandolfo對不同類型和尺寸的石墨材料進行了評估，結果表明石墨材料的粒度越小，倍率性能越高。然而，顆粒尺寸的減小也帶來了一系列問題，如可逆容量和壓實密度的減小。同時，研究還表明，盡管上述措施可以提高石墨陽極的放電速率性能，但難以有效提高石墨陽極充電速率性能。Li4Ti5O12材料本身具有Li+的高擴散系數（10-16-10-15m2/s）。同時，鈦酸鋰電池材料由于其導電性低，在生產中經常被制成納米尺寸的顆粒，這進一步增加了活性面積，減少了Li+的擴散距離。因此，鈦酸鋰電池具有優異的倍率性能，可以實現快速充電，這正是董明珠在中銀龍身上看到的。然而，鈦酸鋰材料的電壓平臺為1.55V，理論可逆容量為170mAh/g，這導致電池的比能較低，嚴重影響了電動汽車的續航里程。這也是銀隆最近危機的根本原因。俗話說，成功就是蕭何，失敗就是蕭何。為了解決鈦酸鋰的這些問題，并保持其高速率性能的優勢，研究人員做出了很多努力。日本東芝公司開發的新型負極材料NTO的可逆容量可達341mAh/g，遠高于LTO材料，接近石墨材料，但憑借高壓固體密度的優勢，NTO的體積能量密度是石墨負極的兩倍。同時，該材料仍然保留了快速充電的特性。從0%的SoC充電到90%的SoC最快只需6分鐘，幾乎完美滿足了電動汽車的需求。目前，東芝已宣布與日本公司Sojitz和巴西礦業公司CBMM達成合作協議，共同開發和生產這種材料。作為世界頂尖大學，英國劍橋大學也致力于開發用于鋰離子電池的高容量、高倍率高性能陽極材料。Kent J.Griffith在最近發表在《自然》雜志上的一篇文章中介紹了劍橋大學的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料。這兩種材料在C/5速率下的可逆容量超過200mAh/g。Li+在兩種材料中的擴散系數達到10-13-10-12m2/S，遠高于LTO的擴散系數（10-16-10-15m2/S）。因此，可以在微米大小的顆粒中實現優異的速率性能。較大的顆粒不僅減少了活性材料與電解質之間的界面面積，而且大大提高了材料的壓實密度。2.配方優化決定鋰離子電池倍率性能的另一個關鍵在于電池的配方設計。鋰離子電池的導電性有兩種：離子導電性和電子導電性，其中離子導電性主要包括di……

Li+在電解質、電極和活性材料內部的孔隙中的融合，電子電導率主要是指活性材料顆粒之間的電導率。如果細分，電子導電性也可以分為“短程導電性”和“長程導電性”，例如以炭黑為代表的導電性。鋰離子電池的倍率性能是多種導電形式的綜合反映。美國德累斯頓大學的Samantha L.Morelly的研究表明，影響鋰離子電池倍率性能的關鍵不是我們通常認為的“離子擴散”過程，而是更多地取決于電子電導率。例如，含有3%炭黑的電極的倍率性能明顯優于含有2.5%炭黑的電極。然而，根據“離子傳輸”理論，更多的炭黑意味著更多曲折的Li+擴散通道，這將降低鋰離子電池的倍率性能。同時，這項研究表明，吸附在NCM顆粒表面的炭黑所提供的短程導電性對提高鋰離子電池的倍率性能的作用大于長程導電性。簡單地實現高速率性能并不困難，但很難平衡速率性能和能量密度。一般來說，速率性能和能量密度是矛盾的，很難在它們之間找到平衡。東京農工大學的Kazuaki Kisu等人通過分析不同涂層厚度和壓實密度的NCM電極的阻抗，獲得了涂層厚度和壓縮密度的最佳組合（70μM和2.9g/cm3）。當壓實密度過高時，電極的孔隙率將急劇下降，這將導致離子擴散阻抗的增加，而當壓實密度較低時，它將導致接觸阻抗的增加。因此，只有適當的壓實密度才能確保鋰離子電池在兼顧高能量的同時具有優異的倍率性能。3.電池結構的選擇對于如何控制倍率電池放電過程中的溫度也是一個非常重要的問題。在大電流放電過程中，鋰離子電池會產生大量的熱量，熱量在鋰離子電池中的積累會導致溫度升高和溫度梯度大，因此鋰離子電池的內部衰變不一致，會影響鋰離子電池壽命。如何選擇合適的結構變得尤為重要。慕尼黑工業大學的Stephan Kosch等人通過二維電熱極化模型研究了接線片的形狀和位置對大型鋰離子電池熱特性的影響，并發現接線片的寬度和集電器的厚度會影響鋰離子電池在放電過程中的溫度分布。接線片越窄，集電器越薄，電池中的溫度分布就越大。同時，人們發現，當電池的接線片放在電池上時。通過選擇合適的材料、配方和結構，可以降低鋰離子電池在高倍率放電過程中的內阻和極化，減少溫度不均勻性，有效提高電池的倍率性能。提高倍率性能是一項綜合性工程，需要從多個因素綜合考慮。小編介紹的只有九根牛伊毛，由于知識有限，難免會有遺漏。我希望所有的朋友都能批評和糾正我，并提出自己的意見。對于動力鋰離子電池，最受關注的指標是能量密度和功率密度。能量密度與車輛的續航里程有關，功率密度與電動汽車的動態性能有關。如何提高鋰離子電池的倍率性能？設計師有自己獨特的見解。小編敢在這里談談我對提高鋰離子電池倍率性能的一些想法，希望能引起更多的關注。1.材料選擇一般來說，提高動力電池的倍率性能主要從材料的選擇開始。例如，我們在文章《離子傳導和電子傳導傻嗎？》中寫道，你想知道的都在這里！

介紹了常見的高鎳三元材料與傳統鈷酸鋰材料在離子導電性和電子導電性方面的比較。在20℃的室溫下，LCO材料的最低電子電導率僅為5x10-8S/cm，而NCM111材料的最低電導率可達2.2x10-6S/cm。隨著鎳含量的進一步增加，三元材料的電子電導率也明顯提高。NCM8111材料的電子電導率為4.1x10-3S/cm，離子電導率也呈現出相同的趨勢。在20℃時，LCO材料的離子電導率僅為2.3x10-7S/cm，而NCM111材料的離子導電率為3.2x10-6S/cm，NCM622材料的離子傳導率為1.7x10-3S/cm。NCM811材料已達到6.3x10-3S/cm，因此三元材料，特別是高鎳三元材料或NCA材料，在電子導電性和離子導電性方面更適合用于倍率鋰離子電池。當然，除了材料的這些固有特性外，它的倍率性能還受到形態等多種因素的影響，例如小顆粒的表面積更大，Li+在顆粒中的擴散距離更短，因此理論上它會有更好的倍率性能。陽極材料有很多種，如小顆粒石墨材料和中間相材料，它們都具有良好的倍率性能。澳大利亞CSIRO能源與技術部S.R.Sivakkumar、J.Y.Nerkar、A.G.Pandolfo對不同類型和尺寸的石墨材料進行了評估，結果表明石墨材料的粒度越小，倍率性能越高。然而，顆粒尺寸的減小也帶來了一系列問題，如可逆容量和壓實密度的減小。同時，研究還表明，盡管上述措施可以提高石墨陽極的放電速率性能，但難以有效提高石墨陽極充電速率性能。Li4Ti5O12材料本身具有Li+的高擴散系數（10-16-10-15m2/s）。同時，鈦酸鋰電池材料由于其導電性低，在生產中經常被制成納米尺寸的顆粒，這進一步增加了活性面積，減少了Li+的擴散距離。因此，鈦酸鋰電池具有優異的倍率性能，可以實現快速充電，這正是董明珠在中銀龍身上看到的。然而，鈦酸鋰材料的電壓平臺為1.55V，理論可逆容量為170mAh/g，這導致電池的比能較低，嚴重影響了電動汽車的續航里程。這也是銀隆最近危機的根本原因。俗話說，成功就是蕭何，失敗就是蕭何。為了解決鈦酸鋰的這些問題，并保持其高速率性能的優勢，研究人員做出了很多努力。日本東芝公司開發的新型負極材料NTO的可逆容量可達341mAh/g，遠高于LTO材料，接近石墨材料，但憑借高壓固體密度的優勢，NTO的體積能量密度是石墨負極的兩倍。同時，該材料仍然保留了快速充電的特性。從0%的SoC充電到90%的SoC最快只需6分鐘，幾乎完美滿足了電動汽車的需求。目前，東芝已宣布與日本公司Sojitz和巴西礦業公司CBMM達成合作協議，共同開發和生產這種材料。作為世界頂尖大學，英國劍橋大學也致力于開發用于鋰離子電池的高容量、高倍率高性能陽極材料。Kent J.Griffith在最近發表在《自然》雜志上的一篇文章中介紹了劍橋大學的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料。這兩種材料在C/5速率下的可逆容量超過200mAh/g。Li+在兩種材料中的擴散系數達到10-13-10-12m2/S，遠高于LTO的擴散系數（10-16-10-15m2/S）。因此，可以在微米大小的顆粒中實現優異的速率性能。較大的顆粒不僅減少了活性材料與電解質之間的界面面積，而且大大提高了材料的壓實密度。2.配方優化決定鋰離子電池倍率性能的另一個關鍵在于電池的配方設計。鋰離子電池的導電性有兩種：離子導電性和電子導電性，其中離子導電性主要包括di……

Li+在電解質、電極和活性材料內部的孔隙中的融合，電子電導率主要是指活性材料顆粒之間的電導率。如果細分，電子導電性也可以分為“短程導電性”和“長程導電性”，例如以炭黑為代表的導電性。鋰離子電池的倍率性能是多種導電形式的綜合反映。美國德累斯頓大學的Samantha L.Morelly的研究表明，影響鋰離子電池倍率性能的關鍵不是我們通常認為的“離子擴散”過程，而是更多地取決于電子電導率。例如，含有3%炭黑的電極的倍率性能明顯優于含有2.5%炭黑的電極。然而，根據“離子傳輸”理論，更多的炭黑意味著更多曲折的Li+擴散通道，這將降低鋰離子電池的倍率性能。同時，這項研究表明，吸附在NCM顆粒表面的炭黑所提供的短程導電性對提高鋰離子電池的倍率性能的作用大于長程導電性。簡單地實現高速率性能并不困難，但很難平衡速率性能和能量密度。一般來說，速率性能和能量密度是矛盾的，很難在它們之間找到平衡。東京農工大學的Kazuaki Kisu等人通過分析不同涂層厚度和壓實密度的NCM電極的阻抗，獲得了涂層厚度和壓縮密度的最佳組合（70μM和2.9g/cm3）。當壓實密度過高時，電極的孔隙率將急劇下降，這將導致離子擴散阻抗的增加，而當壓實密度較低時，它將導致接觸阻抗的增加。因此，只有適當的壓實密度才能確保鋰離子電池在兼顧高能量的同時具有優異的倍率性能。3.電池結構的選擇對于如何控制倍率電池放電過程中的溫度也是一個非常重要的問題。在大電流放電過程中，鋰離子電池會產生大量的熱量，熱量在鋰離子電池中的積累會導致溫度升高和溫度梯度大，因此鋰離子電池的內部衰變不一致，會影響鋰離子電池壽命。如何選擇合適的結構變得尤為重要。慕尼黑工業大學的Stephan Kosch等人通過二維電熱極化模型研究了接線片的形狀和位置對大型鋰離子電池熱特性的影響，并發現接線片的寬度和集電器的厚度會影響鋰離子電池在放電過程中的溫度分布。接線片越窄，集電器越薄，電池中的溫度分布就越大。同時，人們發現，當電池的接線片放在電池上時。通過選擇合適的材料、配方和結構，可以降低鋰離子電池在高倍率放電過程中的內阻和極化，減少溫度不均勻性，有效提高電池的倍率性能。提高倍率性能是一項綜合性工程，需要從多個因素綜合考慮。小編介紹的只有九根牛伊毛，由于知識有限，難免會有遺漏。我希望所有的朋友都能批評和糾正我，并提出自己的意見。

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