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影响锂离子电池高倍率充放电性能的因素

由技术编辑archive1于星期四,2014-10-1613:51发表

影响锂离子电池高倍率充放性能的因素很多，包括电池设计、电极组装、电

极材料的结构、尺寸、电极表面电阻以及电解质的传导能力和稳定性等。为

了探究其原因和机理，本文主要从正极、负极和电解质材料三方面对它们在

高倍率充放电时各自的影响因素进行了综述和分析，并讨论了利于高倍率充

放的电极和电解质材料的发展方向。

锂离子电池具有工作电压高、比能量大、无记忆效应且对环境友好等优点，

广泛应用于手机、相机、笔记本电脑等小

型电器的同时，在电动车、卫星、战斗机等大型电动设备方面的应用也备受

青睐[1-2]。美国LawrenceLiVermor国家实验室早在1993年就对日本SONY

公司的20500型锂离子电池进行了全面的技术分析,考察其用于卫星的可能

性[3]；我国中科院物理所也早在1994年承担福特基金项目时就开始了动力

型锂离子电池的研发[4]；国内外一些知名企业进行了动力型锂离子电池的研

制和生产，如德国瓦尔塔公司研发的方型锂离子电池，容量为60Ah，比能量

为115Wh/kg，日本索尼公司生产的高功率型锂离子电池80%DOD的比功率

高达800W/kg[5]，国内深圳的比亚迪、雷天、天津力神、河南金龙、湖南晶

鑫等公司也研制生产出容量在10Ah以上的动力型锂离子电池。

尽管在全世界科技和工业界的共同努力下，动力型锂离子电池的研发和生产

已取得了长足进展，并逐步走上了实用的轨道，但其价格较高，而且循环性

能、安全性能及其高倍率充放电性能都有待于进一步提高(如目前锂离子电池

用于电动车时，其动力仍不能与传统燃油机的动力相比，这影响着电动车的

行程、最高时速、加速性能及爬坡性能等)。为了动力型锂离子电池更快的发

展，有必要对其高倍率性能的影响因素进行系统研究和分析，找出根本原因。

锂离子电池的高倍率充放性能与锂离子在电极、电解质以及它们界面处的迁

移能力息息相关，一切影响锂离子迁移速度的因素都必将影响电池高倍率充

放性能。因此，本文主要从正极、负极、电解质材料等方面综述影响锂离子

电池高

倍率充放电的因素，并深入分析产生这种影响的原因，指出适于高倍率充放

电的电极、电解质材料的进一步发展方向。

1负极高倍率充放性能的影响因素

容量保持能力差是锂离子电池负极在高倍率充放过程中的最大问题，这主要

与电极材料的结构、颗粒大小、电极导电性和电极表面SEI膜的稳定性等因

素有关。

1.1材料结构

炭材料是最早研究用于锂离子电池的负极材料，具有各种各样的结构，这对

其高倍率性能产生很大的影响。如石墨化中间相沥青炭微球的球形片层结构

利于锂离子从球的各个方向嵌入和脱出[6]，减小了锂离子在固相中的扩散电

阻，从

而提高电极的高倍率性能，在1C充放电时容量可达到230mAh/g[7-8]；与此

相似，具有辐射状结构的碳纤维也被认为是有利于锂离子扩散的负极材料[9]；

而二维片层结构的天然石墨具有比较差的高倍率性能，如Zaghib等[10]研究

的天然石墨NG40在C/4放电时容量只有55.8mAh/g(LixC6中的x=0.15)。

1.2材料尺寸

锂离子电池负极材料的尺寸直接关系着锂离子在其中扩散路径的长短，对电

极高倍率性能产生很大的影响。当电极材料尺寸较小时，比表面积一般较大，

一方面，可以使电极的电流密度降低，减少电极的极化作用；另一方面可以

提供更多的锂离子迁移通道，缩短迁移路径，降低扩散阻抗，从而提高电极

的高倍率性能。因此，粒径较小的颗粒和纳米结构的材料(纳米球、纳米线、

纳米棒、纳米管和纳米膜等)作为锂离子电池负极材料时通常表现出较好的倍

率性能[11-17]。

如小颗粒石墨(约6μm)以C/2充放电时，其容量可以达到C/24充放电容量

的80%；而大颗粒石墨(约44μm)在相同的充放电制度下仅具有C/24充放电

容量的20%[18]