如何設計提高電芯的容量密度？
文章來源：旺財鋰電
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發表時間(jian)：2022-08-04 11:34:49
【小中大】
提高電池的能量密度(僅限于容量型電池)，是設計電池的第一要務。
容量不夠，單價再低、循環再好、安全性再高，做出來的電池也可能無人問津。那么如何才能提高電池的能量密度呢?主要可以從幾個方面考慮：
?.增加對...
此文關鍵字：鋰電池,高容量鋰電池,鋰電池定制,鋰電池組
提高電池的(de)能量密度(僅限于容量型電池(chi))，是設計電池(chi)的(de)第一要(yao)務。
容量不(bu)夠，單價再(zai)(zai)低、循環再(zai)(zai)好(hao)、安(an)全性(xing)再(zai)(zai)高，做(zuo)出(chu)來的電池也可能(neng)無(wu)人(ren)問津。那(nei)么如(ru)何才能(neng)提(ti)高電池的能(neng)量密度呢(ni)?主要可以從(cong)幾個方面(mian)考慮：
?.增加對(dui)電池容量有貢(gong)獻的材料的性能；
?.減少(shao)對電池容量沒有貢獻的(de)材料的(de)體積；
?.使用更先進的生產設(she)備；
?.改進制成工(gong)藝(yi)條(tiao)件并進行(xing)更(geng)嚴格(ge)的生產監控(kong)；
?.對影響(xiang)容量的雜項進行優化；
下面開(kai)始分(fen)類(lei)分(fen)別討論：
?.增加對電池(chi)容量(liang)有貢獻的(de)(de)材料的(de)(de)性能：這(zhe)里主要就是對正負(fu)極活性物質而言，是提高(gao)容量(liang)密度最(zui)為直(zhi)接的(de)(de)方(fang)法。主要的(de)(de)方(fang)向包括：
?使用克發揮更大的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)：例如正極(ji)的(de)富鋰材(cai)料(liao)(liao)(liao)、高電(dian)壓三(san)元(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、高電(dian)壓鈷酸鋰材(cai)料(liao)(liao)(liao)、二元(yuan)材(cai)料(liao)(liao)(liao)等(deng);負極(ji)的(de)軟碳硬碳、硅錫基化合物等(deng)。
?使用壓實(shi)密度更大(da)的正負極材料。
?使用粘結性、導(dao)電性更(geng)好的(de)活性物質(zhi)(zhi)(zhi)：這樣(yang)可以(yi)減少粘結劑(ji)、導(dao)電劑(ji)在(zai)敷(fu)料(liao)(liao)中的(de)含量(liang)，從(cong)而(er)提(ti)高單位質(zhi)(zhi)(zhi)量(liang)敷(fu)料(liao)(liao)所(suo)能發揮的(de)容量(liang);另(ling)外粘結劑(ji)、導(dao)電劑(ji)的(de)用量(liang)減少也可以(yi)提(ti)高材料(liao)(liao)活性物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)壓(ya)實等加工性能。
?使用(yong)厚度(du)(du)反(fan)(fan)彈(dan)(dan)(dan)更小(xiao)的(de)材(cai)(cai)料：鋰離子電(dian)池循環(huan)后(hou)，厚度(du)(du)會有(you)一(yi)定的(de)反(fan)(fan)彈(dan)(dan)(dan);設(she)計(ji)時(shi)需要預(yu)留循環(huan)后(hou)的(de)反(fan)(fan)彈(dan)(dan)(dan)厚度(du)(du);而(er)當使用(yong)了厚度(du)(du)反(fan)(fan)彈(dan)(dan)(dan)更小(xiao)的(de)材(cai)(cai)料時(shi)(依目前所見來看，這些材(cai)(cai)料也同時(shi)是循環(huan)性能很好(hao)的(de)材(cai)(cai)料)，則(ze)可以(yi)將省掉的(de)厚度(du)(du)反(fan)(fan)彈(dan)(dan)(dan)預(yu)留空間轉(zhuan)給電(dian)芯的(de)設(she)計(ji)厚度(du)(du)，從而(er)增(zeng)加電(dian)芯的(de)設(she)計(ji)容量。
?選(xuan)擇(ze)搭(da)配性能(neng)更優的(de)材料體系：單一的(de)“好(hao)(hao)正(zheng)(zheng)極”、“好(hao)(hao)負極”與“好(hao)(hao)電解液”搭(da)配在一起(qi)，并不(bu)能(neng)保證(zheng)做(zuo)出“好(hao)(hao)電池”。匹配性不(bu)好(hao)(hao)的(de)材料組(zu)合(he)在一起(qi)，不(bu)僅會降低電池的(de)循環(huan)性能(neng)，也可能(neng)影響到(dao)倍率性能(neng)甚至(zhi)正(zheng)(zheng)負極的(de)克(ke)(ke)發(fa)揮;同理，當材料匹配性更好(hao)(hao)時(shi)，克(ke)(ke)發(fa)揮、循環(huan)、膨脹率等性能(neng)或(huo)許都可以得到(dao)改(gai)善。
隨(sui)著鋰離(li)(li)子(zi)電池(chi)材料技術的(de)(de)日(ri)益(yi)成(cheng)熟，常見的(de)(de)鈷酸鋰和石墨的(de)(de)潛能(neng)已經(jing)近乎發揮到了極限。而今后如(ru)果能(neng)生產出成(cheng)熟的(de)(de)其他體系，則對鋰離(li)(li)子(zi)電池(chi)的(de)(de)能(neng)量(liang)密度提升將會有(you)革命性的(de)(de)影(ying)響!
?.減少對電池容(rong)量沒有貢獻(xian)的(de)(de)材料(liao)的(de)(de)體積：這一項比較雜，主要(yao)包括(kuo)：使(shi)(shi)(shi)用更薄(bo)的(de)(de)鋁(lv)塑膜(mo)、使(shi)(shi)(shi)用更薄(bo)的(de)(de)電池隔膜(mo)、使(shi)(shi)(shi)用更薄(bo)的(de)(de)極(ji)耳、使(shi)(shi)(shi)用更薄(bo)的(de)(de)銅箔(bo)和鋁(lv)箔(bo)、使(shi)(shi)(shi)用更薄(bo)的(de)(de)透明膠紙等。
可(ke)以看出，這方(fang)面的改(gai)善(shan)基本都以“薄”為定語。在有限的體積下，對容(rong)(rong)量(liang)(liang)無直接貢獻的鋁塑膜(mo)、隔(ge)膜(mo)等的體積的減少，就意味著(zhu)能夠提供容(rong)(rong)量(liang)(liang)的化學物質的增多(duo)，從而提高電(dian)芯容(rong)(rong)量(liang)(liang)。
但是當這(zhe)些材料更(geng)(geng)薄(bo)時，其(qi)機械強度(du)、安全性(xing)(xing)能(neng)就會(hui)受到影響;這(zhe)一方(fang)面需要輔(fu)料制造廠能(neng)在(zai)基(ji)本不降低材料性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)前(qian)提下(xia)縮小體積(ji)，一方(fang)面又需要電芯制造廠變更(geng)(geng)工藝、制成參數(shu)甚至設(she)備(例如，更(geng)(geng)薄(bo)的(de)(de)鋁箔意味著更(geng)(geng)高的(de)(de)棍壓(ya)延伸系數(shu)并(bing)增加涂布、棍壓(ya)時的(de)(de)斷(duan)片概(gai)率(lv);更(geng)(geng)薄(bo)的(de)(de)隔膜有更(geng)(geng)高的(de)(de)短路(lu)率(lv)風(feng)險;更(geng)(geng)薄(bo)的(de)(de)鋁塑(su)膜更(geng)(geng)容易產生腳位破損;更(geng)(geng)薄(bo)的(de)(de)極耳會(hui)降低電池的(de)(de)倍率(lv)性(xing)(xing)能(neng)等等)。
更換這些更薄的材料(liao)需要(yao)電池廠做(zuo)大量(liang)的認證(zheng)，試產數(shu)量(liang)過(guo)少則無法準確得(de)出統(tong)計(ji)數(shu)據，過(guo)多萬(wan)一問題太大則又(you)造(zao)成了浪費。與(yu)提高活性物質(zhi)性能(neng)相比，降低非活性物質(zhi)的含量(liang)顯得(de)思(si)路更多，涉及到(dao)得(de)方面也同樣寬(kuan)泛。
?.使用更(geng)先進的(de)(de)生產設(she)備(bei)：先進的(de)(de)設(she)備(bei)主要是為了提高(gao)(gao)制(zhi)成的(de)(de)一致性、減少生產的(de)(de)波動，進而(er)達到在(zai)不變更(geng)均值的(de)(de)前提下提高(gao)(gao)最小值，而(er)決定一批電芯質量的(de)(de)，恰恰是這里所說的(de)(de)被提高(gao)(gao)的(de)(de)最小值。舉下面兩個例(li)子：
?當涂布機的(de)(de)涂布公差更(geng)(geng)小時，最(zui)(zui)小容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)/設(she)計容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)就(jiu)可以提高(gao)，如果客戶(hu)是(shi)對(dui)最(zui)(zui)小容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)有要求的(de)(de)話，那就(jiu)相(xiang)當于在(zai)設(she)計容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)不變(bian)時，提高(gao)了最(zui)(zui)小容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)，也(ye)就(jiu)是(shi)說提高(gao)了評估(gu)給(gei)客戶(hu)的(de)(de)電芯的(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang);同(tong)時正負(fu)極的(de)(de)涂布偏(pian)差降(jiang)低(di)，在(zai)考慮了首次效率、循環后(hou)容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)衰減等(deng)因(yin)素后(hou)，設(she)計負(fu)極過量(liang)(liang)(liang)(liang)就(jiu)可以適度降(jiang)低(di)，從而電池有更(geng)(geng)多的(de)(de)正極材料、也(ye)就(jiu)相(xiang)當于有了更(geng)(geng)多的(de)(de)容(rong)(rong)量(liang)(liang)(liang)(liang)。
?當滾壓(ya)機(ji)的(de)(de)(de)(de)精(jing)確度(du)提高(gao)后(hou)，由于(yu)實際滾壓(ya)時(shi)(shi)誤差的(de)(de)(de)(de)減少，設計(ji)壓(ya)實就可以更為接近材料的(de)(de)(de)(de)最大壓(ya)實，從(cong)而提高(gao)設計(ji)容(rong)(rong)量(liang)和(he)制成電芯容(rong)(rong)量(liang);滾壓(ya)出極片的(de)(de)(de)(de)厚度(du)更為一(yi)(yi)致，這(zhe)樣就相當于(yu)增(zeng)加了電芯厚度(du)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)致性，進而可以在(zai)設計(ji)時(shi)(shi)選擇(ze)更小(xiao)的(de)(de)(de)(de)maxTHK-designTHK，從(cong)而提高(gao)設計(ji)容(rong)(rong)量(liang)(分(fen)切(qie)刀(dao)寬度(du)、卷尺(chi)寬度(du)、分(fen)容(rong)(rong)柜精(jing)確度(du)等與(yu)之類似，不再贅述)。
?.改進制成條件并進行更(geng)嚴格的生產監控。生產控制方面(mian)學(xue)問頗(po)多，列(lie)舉一(yi)二：
?減少滾(gun)壓后到(dao)卷繞前的轉序時間：這樣可以減少極(ji)片的厚(hou)度(du)(du)反彈，從(cong)(cong)而(er)更(geng)好的控制(zhi)電(dian)芯(xin)厚(hou)度(du)(du)。電(dian)芯(xin)厚(hou)度(du)(du)如(ru)果明顯低于最大厚(hou)度(du)(du)的話，就可以適(shi)當提高設計厚(hou)度(du)(du)，從(cong)(cong)而(er)提高電(dian)芯(xin)設計容量。
?穩(wen)定分容(rong)房的(de)(de)溫(wen)度：溫(wen)度對(dui)電(dian)芯分容(rong)容(rong)量的(de)(de)影響頗大，低溫(wen)可能(neng)造成將(jiang)容(rong)量本合(he)格的(de)(de)電(dian)芯作為(wei)低容(rong)而轉到二次分容(rong)從而浪費資(zi)源，高溫(wen)則可能(neng)將(jiang)容(rong)量較差的(de)(de)電(dian)芯作為(wei)合(he)格品出貨。
如同短(duan)板原理一(yi)樣，一(yi)批電(dian)(dian)(dian)芯的(de)(de)(de)容(rong)量(liang)，以出(chu)貨(huo)電(dian)(dian)(dian)芯的(de)(de)(de)最(zui)低(di)值計，一(yi)批電(dian)(dian)(dian)芯的(de)(de)(de)厚(hou)度(du)，以出(chu)貨(huo)電(dian)(dian)(dian)芯的(de)(de)(de)最(zui)大厚(hou)度(du)計。人(ren)的(de)(de)(de)操作在目前我國這種勞動(dong)力(li)密集型產業中(zhong)，對產品的(de)(de)(de)質量(liang)影響尤為重要。生產中(zhong)，若操作人(ren)員和品質人(ren)員可以盡量(liang)低(di)的(de)(de)(de)減少(shao)(shao)(shao)人(ren)為操作的(de)(de)(de)誤(wu)差、減少(shao)(shao)(shao)制成時的(de)(de)(de)波動(dong)，也就相當于(yu)增(zeng)加了木桶中(zhong)最(zui)短(duan)板的(de)(de)(de)長度(du)，從而提高了電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)容(rong)量(liang)、減少(shao)(shao)(shao)了電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)厚(hou)度(du)。
?.對影響電芯容量的雜項進(jin)行優化。
滿充電芯拆開，負(fu)極主體應該(gai)是(shi)均(jun)(jun)勻的(de)完(wan)美金黃色。但是(shi)當人為(wei)操(cao)作、材(cai)料和(he)設(she)備(bei)乃至設(she)計出(chu)現(xian)問題(ti)(ti)時(shi)，各類(lei)的(de)小毛病例如：卷芯負(fu)極第一圈析鋰、隔(ge)膜打皺處(chu)析鋰、涂布時(shi)正負(fu)極尾(wei)部膜密度不均(jun)(jun)勻析鋰等(deng)問題(ti)(ti)就會出(chu)現(xian)。
從(cong)容(rong)量(liang)角度(du)來看，析(xi)鋰很可(ke)(ke)能(neng)造(zao)成容(rong)量(liang)的(de)偏(pian)低;若可(ke)(ke)以(yi)杜絕類(lei)(lei)似(si)情況，則(ze)相當于增加(jia)了(le)電芯的(de)容(rong)量(liang);若無法(fa)杜絕此類(lei)(lei)情況，則(ze)需要從(cong)設(she)計上更(geng)準確的(de)預(yu)測(ce)其發(fa)生的(de)概率和可(ke)(ke)能(neng)產生的(de)影響的(de)大小，從(cong)而避免一些電芯由于本(ben)可(ke)(ke)以(yi)預(yu)測(ce)到(dao)的(de)問題而被報廢。
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