能量型和功率型電池設計策略

能量型電池的設計策略就是在保證性能的前提下盡可能最大化活性組分的占比，從而提高能量密度。一般采用高負載、低孔隙率、大粒徑顆粒、低導電劑含量、少粘結劑、薄集流體并涂敷高結合強度涂層、薄隔膜、高電導率電解液、薄而窄的單個極耳等這種電池結構設計。

功率型電池的設計策略是盡可能降低電池內(nèi)阻，從而提高倍率性能。一般采用低負載、高孔隙率、小粒徑顆粒、較高的導電劑含量、厚集流體并涂敷低電阻涂層、薄隔膜、高電導率電解液、厚而寬的多個極耳等這種電池結構設計。

因此，不同的電池也會采用不同的設計策略。本文對比了LG、三星、索尼、A123等廠家的圓柱電池設計與性能，以便了解產(chǎn)業(yè)界電池設計方法。? ??

下表列出了9款電池的廠家、型號、生產(chǎn)日期，額定容量和最大連續(xù)放電電流值取自電池規(guī)格書，功率-能量比的單位顯示為W：W hr，但是它們是根據(jù)最大連續(xù)放電電流（A）除以額定容量（A hr）計算的。

電池具有20- 40%的初始充電狀態(tài)（SoC），對電池進行放電-充電-放電循環(huán)，電壓曲線如下圖所示。八個電池具有層狀陰極材料例如NMC（LiNi x Mn y Co 1?x?y O 2 ）和NCA（LiNi x Co y Al 1?x?y O 2 ）的典型電壓分布。唯一的例外是A123 M1A電池，它是LFP正極。除A123 M1A電池外，所有電池都略微超過其額定容量，放電容量和能量記錄在下方表格中。?? ?

測得電池的放電能量值、電池重量和體積，以計算質(zhì)量和體積能量密度值，如下表所示。該表還包括體積和重量功率密度值，功率被定義為平均放電電壓乘以最大連續(xù)放電電流，然后計算功率密度。表格中還包括測量實際電極獲得的正極的總面積，根據(jù)電池容量除以正極面積計算得到極片面容量。? ??

下圖繪制了電池的功率能量比與面容量的關系。這兩個參數(shù)之間存在反比關系，即高功率電池使用低面容量和低涂層重量設計。

負極涂層、正極涂層、負極銅集流體、隔膜和正極鋁集流體這個五種組件的厚度如下圖所示。三星48G電池具有最厚的負極，電池提供了最高的能量密度和最低的功率密度。A123 M1A負極涂層最薄，該電池具有最高的功率能量比，但是其正極由于LFP低密度而厚度較厚。對于集流體，電池設計者可以利用這些更薄的材料來增加能量密度。對于索尼兩個電池，高功率VTC 5A電池具有比高能量VTC 6電池更厚的銅和鋁。?較厚的集流體能夠降低電池電阻，并以犧牲能量密度為代價改善電池的熱傳遞。? ??

如下圖所示，除了A123 M1A電池都在正負極中間焊接極耳（圖B）外，其他8個電池都是正極中間焊接一個極耳，負極兩端焊接2個極耳。

實際的電極配方是未知的，并且難以測量。假設正、負極極片中活性材料：粘合劑：導電碳的比例分別為?95：4：1和96：2：2（重量）。對于A123 M1A正極，根據(jù)公布的專利，電極配方為79：11：10。根據(jù)這些比例、電極的涂層的質(zhì)量和電池容量計算材料克容量，結果如下圖所示。其中，幾個負極計算的克容量高于石墨的理論容量372 mA hr/g，這表明電極含有更高容量的組分，如硅。? ??

電極中的平均孔隙率可以由涂層重量、涂層厚度和涂層組分的平均密度計算，結果如下圖所示。除了索尼VTC 6電池之外，負極孔隙率值非常相似。正極孔隙率變化更大，最高功率能量比的三個電池（M1A、HB 2和HB 4）比其他電池具有更高的孔隙率。

電池每Ah的電解液用量如下圖所示，電解液應填充電極和隔膜中的所有孔，但仍在電池內(nèi)留下一些空隙空間沒有被電解液填充，一般認為3g/Ah電解質(zhì)用量是合理的。使用較薄的隔膜和較低孔隙率的正極的電池可以將該值降低到＜2g/Ah。A123電池中的厚且相對多孔的LFP陰極需要更多的電解質(zhì)。? ??

電池的正負極極片形貌如下圖所示，除了A123的LFP形貌外，其他電池都差不多。

負極?? ?

正極

還測試電極EDS能譜，多方面確認電池活性物質(zhì)如下表所示。

從SEM圖像測量估計正、負極極二次顆粒的尺寸。下圖繪制了粒徑典型值與功率-能量比的關系，結果顯示了更高功率的電池使用更小粒徑材料，如預期趨勢一致。? ??

總之，電池和電極的設計會影響鋰離子電池的功率和能量密度。高功率密度電池要求較低的電極涂層重量、具有較低彎曲度的較薄隔膜以及較厚的極耳和集流體來最小化電池電阻。電極電阻和鋰離子擴散路徑長度可以通過使用較小的活性材料顆粒尺寸和較多的導電添加劑來減小。每一種電池需要根據(jù)應用場景和具體需求來設計。? ? ? ??

審核編輯：黃飛

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