锂离子电池的结构设计与提高锂电池能量密度的三方法介绍

　　随着锂离子电池技术的不断发展，我们也对锂离子电池的性能提出了更高的要求，我们希望锂离子电池更小、更轻便、储能更多，这些诉求也在推动着锂离子电池研究工作不断前进。从电池结构和新材料、新体系的采用，可爱的锂离子电池研究者们不断尝试各种方法提高锂离子电池能量密度的方法。

　　1.结构设计

　　提高锂离子电池的比能量从结构上讲，要提高正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。锂离子电池主要由正负极活性物质、隔膜、铜箔、铝箔和壳体及结构件等部分组成，其中真正能够为锂离子电池提供容量的只有活性物质，因此提高活性物质在锂离子电池中所占的比重才是最有效的提高锂离子电池手段。例如最近特斯拉在大力推动的21700电池，就是通过使用直径更大的电芯（21mm），增加电芯的高度（70mm）提高活性物质占比，减少结构件等非活性材料的比重，提高锂离子电池的比能量，降低单位瓦时成本。此外软包电池也是减少结构件重量的有效方法，通过使用铝塑膜代替传统的钢制外壳，可以极大的减少结构件在锂离子电池中所占的比重。

　　除了增大锂离子电池的直径，另外一个有效提高锂离子电池比能量的方法是减少隔膜的厚度，目前常见的PP-PE-PP三层复合隔膜的厚度一般达到30um以上，达到正负极极片的厚度的20%左右，这也造成了严重的空间浪费，为了减少隔膜所占的空间，目前广大锂离子电池厂家普遍采用带有涂层的薄隔膜，这些隔膜的厚度可达到20um以下，可以在保证锂离子电池安全的前提下，显著的减少隔膜所占的体积比例，提高活性物质占比，提高锂离子电池比能量。

　　另外的一种增加活性物质比例的方法是从电池的生产工艺的角度入手，首先是增加活性物质在电极中占比。一般锂离子电池的电极主要由四大部分组成，活性物质、导电剂、粘结剂和集流体组成，为了提高活性物质比例，就需要降低其他部分的比例，通过采用新型导电剂、粘结剂从而减少导电剂和粘结剂的比例，采用更薄的集流体来减少非活性物质的所占的比例。其次，需要提高正负极的涂布量，但是提高电极的涂布量还面临的一个问题：当电极过厚时会造成电极的Li+扩散动力学条件变差，影响锂离子电池的倍率和循环性能，为了解决这一问题德国卡尔斯鲁厄理工学院的Boris Bitsch等［1］利用毛细悬浊液和多层电极工艺制备了具有梯度孔隙率的高性能厚电极。在靠近铜箔的低层，Boris Bitsch等采用了普通浆料，使得其具有较低的孔隙率和良好的导电性，而在远离铜箔的表层，Boris Bitsch则采用了毛细悬浊液浆料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明显增加，改善了电极的动力学条件，从而使得该电极的孔隙率自下而上呈现出逐渐增加的特性，显著改善了厚电极的动力学条件，提高了厚电极的电化学性能，从而实现了在提高电池重量和体积比能量的同时不降低电池的循环性能。

　　提高锂离子电池比能量的另外一个重要的方法就是控制电解液的数量，减少电解液的数量可以有效的提高锂离子电池的能量密度。电解液在锂离子电池内部起到一个媒介的作用，正负极的Li+通过电解液进行扩散，因此电解液理论上来讲是一种“非消耗品”，只要有少量的电解液保证Li+在正负极之间自由扩散就行了，但是实际上由于在化成过程中SEI膜的形成导致电解液分解，以及在循环过程中SEI膜破坏和正极氧化等原因造成的电解液分解，导致电解液在实际上是持续消耗的，因此电池内的电解液一般而言都是过量的，这也是导致锂离子电池比能量低的一个重要原因，为了减少电解液量，同时保证电池的性能，需要我们对电解液溶剂体系和电解液添加剂体系进行改进，提高电解液的稳定性。为了改善电解液在三元材料NMC电池中的稳定性，德国明斯特大学的Yunxian Qian等［2］向传统的EC和EMC（重量比为3:7）为溶剂的电解液中添加了少量的FEC添加剂，发现FEC添加剂能够有效的减少电解液的分解，提高NMC电池的首次库伦效率，并显著改善电池的循环稳定性。