倍率提升大作战：我们都有哪些方法提升锂离子电池倍率性能

对于动力锂离子电池，最受关注的指标是能量密度和功率密度。能量密度与车辆的续航里程有关，功率密度与电动汽车的动态性能有关。如何提高锂离子电池的倍率性能？设计师有自己独特的见解。小编敢在这里谈谈我对提高锂离子电池倍率性能的一些想法，希望能引起更多的关注。1.材料选择一般来说，提高动力电池的倍率性能主要从材料的选择开始。例如，我们在文章《离子传导和电子传导傻吗？》中写道，你想知道的都在这里！

介绍了常见的高镍三元材料与传统钴酸锂材料在离子导电性和电子导电性方面的比较。在20℃的室温下，LCO材料的最低电子电导率仅为5x10-8S/cm，而NCM111材料的最低电导率可达2.2x10-6S/cm。随着镍含量的进一步增加，三元材料的电子电导率也明显提高。NCM8111材料的电子电导率为4.1x10-3S/cm，离子电导率也呈现出相同的趋势。在20℃时，LCO材料的离子电导率仅为2.3x10-7S/cm，而NCM111材料的离子导电率为3.2x10-6S/cm，NCM622材料的离子传导率为1.7x10-3S/cm。NCM811材料已达到6.3x10-3S/cm，因此三元材料，特别是高镍三元材料或NCA材料，在电子导电性和离子导电性方面更适合用于倍率锂离子电池。当然，除了材料的这些固有特性外，它的倍率性能还受到形态等多种因素的影响，例如小颗粒的表面积更大，Li+在颗粒中的扩散距离更短，因此理论上它会有更好的倍率性能。阳极材料有很多种，如小颗粒石墨材料和中间相材料，它们都具有良好的倍率性能。澳大利亚CSIRO能源与技术部S.R.Sivakkumar、J.Y.Nerkar、A.G.Pandolfo对不同类型和尺寸的石墨材料进行了评估，结果表明石墨材料的粒度越小，倍率性能越高。然而，颗粒尺寸的减小也带来了一系列问题，如可逆容量和压实密度的减小。同时，研究还表明，尽管上述措施可以提高石墨阳极的放电速率性能，但难以有效提高石墨阳极充电速率性能。Li4Ti5O12材料本身具有Li+的高扩散系数（10-16-10-15m2/s）。同时，钛酸锂电池材料由于其导电性低，在生产中经常被制成纳米尺寸的颗粒，这进一步增加了活性面积，减少了Li+的扩散距离。因此，钛酸锂电池具有优异的倍率性能，可以实现快速充电，这正是董明珠在中银龙身上看到的。然而，钛酸锂材料的电压平台为1.55V，理论可逆容量为170mAh/g，这导致电池的比能较低，严重影响了电动汽车的续航里程。这也是银隆最近危机的根本原因。俗话说，成功就是萧何，失败就是萧何。为了解决钛酸锂的这些问题，并保持其高速率性能的优势，研究人员做出了很多努力。日本东芝公司开发的新型负极材料NTO的可逆容量可达341mAh/g，远高于LTO材料，接近石墨材料，但凭借高压固体密度的优势，NTO的体积能量密度是石墨负极的两倍。同时，该材料仍然保留了快速充电的特性。从0%的SoC充电到90%的SoC最快只需6分钟，几乎完美满足了电动汽车的需求。目前，东芝已宣布与日本公司Sojitz和巴西矿业公司CBMM达成合作协议，共同开发和生产这种材料。作为世界顶尖大学，英国剑桥大学也致力于开发用于锂离子电池的高容量、高倍率高性能阳极材料。Kent J.Griffith在最近发表在《自然》杂志上的一篇文章中介绍了剑桥大学的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料。这两种材料在C/5速率下的可逆容量超过200mAh/g。Li+在两种材料中的扩散系数达到10-13-10-12m2/S，远高于LTO的扩散系数（10-16-10-15m2/S）。因此，可以在微米大小的颗粒中实现优异的速率性能。较大的颗粒不仅减少了活性材料与电解质之间的界面面积，而且大大提高了材料的压实密度。2.配方优化决定锂离子电池倍率性能的另一个关键在于电池的配方设计。锂离子电池的导电性有两种：离子导电性和电子导电性，其中离子导电性主要包括di……

Li+在电解质、电极和活性材料内部的孔隙中的融合，电子电导率主要是指活性材料颗粒之间的电导率。如果细分，电子导电性也可以分为“短程导电性”和“长程导电性”，例如以炭黑为代表的导电性。锂离子电池的倍率性能是多种导电形式的综合反映。美国德累斯顿大学的Samantha L.Morelly的研究表明，影响锂离子电池倍率性能的关键不是我们通常认为的“离子扩散”过程，而是更多地取决于电子电导率。例如，含有3%炭黑的电极的倍率性能明显优于含有2.5%炭黑的电极。然而，根据“离子传输”理论，更多的炭黑意味着更多曲折的Li+扩散通道，这将降低锂离子电池的倍率性能。同时，这项研究表明，吸附在NCM颗粒表面的炭黑所提供的短程导电性对提高锂离子电池的倍率性能的作用大于长程导电性。简单地实现高速率性能并不困难，但很难平衡速率性能和能量密度。一般来说，速率性能和能量密度是矛盾的，很难在它们之间找到平衡。东京农工大学的Kazuaki Kisu等人通过分析不同涂层厚度和压实密度的NCM电极的阻抗，获得了涂层厚度和压缩密度的最佳组合（70μM和2.9g/cm3）。当压实密度过高时，电极的孔隙率将急剧下降，这将导致离子扩散阻抗的增加，而当压实密度较低时，它将导致接触阻抗的增加。因此，只有适当的压实密度才能确保锂离子电池在兼顾高能量的同时具有优异的倍率性能。3.电池结构的选择对于如何控制倍率电池放电过程中的温度也是一个非常重要的问题。在大电流放电过程中，锂离子电池会产生大量的热量，热量在锂离子电池中的积累会导致温度升高和温度梯度大，因此锂离子电池的内部衰变不一致，会影响锂离子电池寿命。如何选择合适的结构变得尤为重要。慕尼黑工业大学的Stephan Kosch等人通过二维电热极化模型研究了接线片的形状和位置对大型锂离子电池热特性的影响，并发现接线片的宽度和集电器的厚度会影响锂离子电池在放电过程中的温度分布。接线片越窄，集电器越薄，电池中的温度分布就越大。同时，人们发现，当电池的接线片放在电池上时。通过选择合适的材料、配方和结构，可以降低锂离子电池在高倍率放电过程中的内阻和极化，减少温度不均匀性，有效提高电池的倍率性能。提高倍率性能是一项综合性工程，需要从多个因素综合考虑。小编介绍的只有九根牛伊毛，由于知识有限，难免会有遗漏。我希望所有的朋友都能批评和纠正我，并提出自己的意见。对于动力锂离子电池，最受关注的指标是能量密度和功率密度。能量密度与车辆的续航里程有关，功率密度与电动汽车的动态性能有关。如何提高锂离子电池的倍率性能？设计师有自己独特的见解。小编敢在这里谈谈我对提高锂离子电池倍率性能的一些想法，希望能引起更多的关注。1.材料选择一般来说，提高动力电池的倍率性能主要从材料的选择开始。例如，我们在文章《离子传导和电子传导傻吗？》中写道，你想知道的都在这里！

介绍了常见的高镍三元材料与传统钴酸锂材料在离子导电性和电子导电性方面的比较。在20℃的室温下，LCO材料的最低电子电导率仅为5x10-8S/cm，而NCM111材料的最低电导率可达2.2x10-6S/cm。随着镍含量的进一步增加，三元材料的电子电导率也明显提高。NCM8111材料的电子电导率为4.1x10-3S/cm，离子电导率也呈现出相同的趋势。在20℃时，LCO材料的离子电导率仅为2.3x10-7S/cm，而NCM111材料的离子导电率为3.2x10-6S/cm，NCM622材料的离子传导率为1.7x10-3S/cm。NCM811材料已达到6.3x10-3S/cm，因此三元材料，特别是高镍三元材料或NCA材料，在电子导电性和离子导电性方面更适合用于倍率锂离子电池。当然，除了材料的这些固有特性外，它的倍率性能还受到形态等多种因素的影响，例如小颗粒的表面积更大，Li+在颗粒中的扩散距离更短，因此理论上它会有更好的倍率性能。阳极材料有很多种，如小颗粒石墨材料和中间相材料，它们都具有良好的倍率性能。澳大利亚CSIRO能源与技术部S.R.Sivakkumar、J.Y.Nerkar、A.G.Pandolfo对不同类型和尺寸的石墨材料进行了评估，结果表明石墨材料的粒度越小，倍率性能越高。然而，颗粒尺寸的减小也带来了一系列问题，如可逆容量和压实密度的减小。同时，研究还表明，尽管上述措施可以提高石墨阳极的放电速率性能，但难以有效提高石墨阳极充电速率性能。Li4Ti5O12材料本身具有Li+的高扩散系数（10-16-10-15m2/s）。同时，钛酸锂电池材料由于其导电性低，在生产中经常被制成纳米尺寸的颗粒，这进一步增加了活性面积，减少了Li+的扩散距离。因此，钛酸锂电池具有优异的倍率性能，可以实现快速充电，这正是董明珠在中银龙身上看到的。然而，钛酸锂材料的电压平台为1.55V，理论可逆容量为170mAh/g，这导致电池的比能较低，严重影响了电动汽车的续航里程。这也是银隆最近危机的根本原因。俗话说，成功就是萧何，失败就是萧何。为了解决钛酸锂的这些问题，并保持其高速率性能的优势，研究人员做出了很多努力。日本东芝公司开发的新型负极材料NTO的可逆容量可达341mAh/g，远高于LTO材料，接近石墨材料，但凭借高压固体密度的优势，NTO的体积能量密度是石墨负极的两倍。同时，该材料仍然保留了快速充电的特性。从0%的SoC充电到90%的SoC最快只需6分钟，几乎完美满足了电动汽车的需求。目前，东芝已宣布与日本公司Sojitz和巴西矿业公司CBMM达成合作协议，共同开发和生产这种材料。作为世界顶尖大学，英国剑桥大学也致力于开发用于锂离子电池的高容量、高倍率高性能阳极材料。Kent J.Griffith在最近发表在《自然》杂志上的一篇文章中介绍了剑桥大学的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料。这两种材料在C/5速率下的可逆容量超过200mAh/g。Li+在两种材料中的扩散系数达到10-13-10-12m2/S，远高于LTO的扩散系数（10-16-10-15m2/S）。因此，可以在微米大小的颗粒中实现优异的速率性能。较大的颗粒不仅减少了活性材料与电解质之间的界面面积，而且大大提高了材料的压实密度。2.配方优化决定锂离子电池倍率性能的另一个关键在于电池的配方设计。锂离子电池的导电性有两种：离子导电性和电子导电性，其中离子导电性主要包括di……

Li+在电解质、电极和活性材料内部的孔隙中的融合，电子电导率主要是指活性材料颗粒之间的电导率。如果细分，电子导电性也可以分为“短程导电性”和“长程导电性”，例如以炭黑为代表的导电性。锂离子电池的倍率性能是多种导电形式的综合反映。美国德累斯顿大学的Samantha L.Morelly的研究表明，影响锂离子电池倍率性能的关键不是我们通常认为的“离子扩散”过程，而是更多地取决于电子电导率。例如，含有3%炭黑的电极的倍率性能明显优于含有2.5%炭黑的电极。然而，根据“离子传输”理论，更多的炭黑意味着更多曲折的Li+扩散通道，这将降低锂离子电池的倍率性能。同时，这项研究表明，吸附在NCM颗粒表面的炭黑所提供的短程导电性对提高锂离子电池的倍率性能的作用大于长程导电性。简单地实现高速率性能并不困难，但很难平衡速率性能和能量密度。一般来说，速率性能和能量密度是矛盾的，很难在它们之间找到平衡。东京农工大学的Kazuaki Kisu等人通过分析不同涂层厚度和压实密度的NCM电极的阻抗，获得了涂层厚度和压缩密度的最佳组合（70μM和2.9g/cm3）。当压实密度过高时，电极的孔隙率将急剧下降，这将导致离子扩散阻抗的增加，而当压实密度较低时，它将导致接触阻抗的增加。因此，只有适当的压实密度才能确保锂离子电池在兼顾高能量的同时具有优异的倍率性能。3.电池结构的选择对于如何控制倍率电池放电过程中的温度也是一个非常重要的问题。在大电流放电过程中，锂离子电池会产生大量的热量，热量在锂离子电池中的积累会导致温度升高和温度梯度大，因此锂离子电池的内部衰变不一致，会影响锂离子电池寿命。如何选择合适的结构变得尤为重要。慕尼黑工业大学的Stephan Kosch等人通过二维电热极化模型研究了接线片的形状和位置对大型锂离子电池热特性的影响，并发现接线片的宽度和集电器的厚度会影响锂离子电池在放电过程中的温度分布。接线片越窄，集电器越薄，电池中的温度分布就越大。同时，人们发现，当电池的接线片放在电池上时。通过选择合适的材料、配方和结构，可以降低锂离子电池在高倍率放电过程中的内阻和极化，减少温度不均匀性，有效提高电池的倍率性能。提高倍率性能是一项综合性工程，需要从多个因素综合考虑。小编介绍的只有九根牛伊毛，由于知识有限，难免会有遗漏。我希望所有的朋友都能批评和纠正我，并提出自己的意见。

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