锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

锂离子电池作为高压电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，已广泛应用于3C产品、电动汽车和动力墙电池等储能系统。

近年来，大规模储能和电动汽车的快速发展对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求：2025年锂离子电池能量密度将达到400 Wh·kg-1，2030年达到500 Wh·kg-1的技术目标。

厚电极结构设计，不改变电池化学系统，增加电池每单位体积的活性材料含量，从而厚电极增加电池系统的能量密度。与前两种方法相比，厚电极结构设计具有与各种电极材料兼容的优点。因此，通过厚电极结构设计来提高电池的能量密度受到了广泛的关注。

 

传统厚电极的优势和挑战

建造厚电极可以减少电池设备级别的非活性材料含量，增加电池的能量密度，并降低电池成本。然而，传统厚电极的离子和电子传输速度慢，机械稳定性差，导致速率性能和循环性能差。

 

 

多孔电极中的电荷传输有四个主要步骤：

（1） 锂离子在电解质中的迁移；（2） 接口处的电荷传输；（3） 锂离子在电极体相中的扩散；（4） 集电器和电极之间界面处的电荷传输。因此，厚电极中的阻抗可以分为相应的四个部分：电子阻抗、电荷传输阻抗、电解质的体相阻抗和多孔电极中的锂离子传输阻抗。

在薄电极电池中，电荷转移阻抗是锂离子电池动力学反应的速率控制步骤，而随着电极厚度的增加，多孔电极中的锂离子传输阻抗逐渐成为锂离子电池中动力学行为的速率控制步骤。

 

 

因此，为了同时提高锂离子电池的能量密度和功率密度，有必要构建具有高效锂离子传输通道和良好电子传导网络的高功率厚电极。

目前，构建大功率厚电极的主要策略是构建具有直通通道的低弯曲度厚电极，以促进锂离子在厚电极中的传输，降低浓度极化，并提高电池性能。此外，华中科技大学谢佳教授还证明，低弯曲度电极可以有效缓解活性材料的降解。

 

 

厚电极的构造方法

目前，构建厚电极的方法主要集中在：

（1） 使用具有高比表面积的1D碳纤维/碳纳米管、2D石墨烯和3D多孔导电框架作为厚电极基底，构建3D集电器。通过3D集电器方法构建的厚电极具有良好的电子传导网络；

（2） 模板法，常见的方法包括牺牲模板法（氧化铝模板）、天然纤维素（木材）、冰模板法等。基于模板法制备的厚电极具有一定的图案和直通离子传输通道；

 

 

（3） 先进的制造技术，主要包括激光蚀刻和3D打印，制备的极片具有规则的图案和垂直于集电体方向的锂离子传输通道；

（4） 低温烧结。低温烧结处理后，可获得致密化的极片，降低了电极的孔隙率和厚度，有利于提高厚电极的体积能量密度；

（5） 其他方法，如在电极制备过程中引入发泡剂和相转化法。

 

厚电极的研究现状

为了实现大功率厚电极的批量制备，学术界和工业界关注梯度电极的设计和制备。在学术界，由中国科学技术大学于树宏院士团队设计的双梯度电极（孔隙率和材料粒度）可以实现701 Wh的体积能量密度▪对于石墨电极，以6C的速率。

德克萨斯大学余桂华教授的团队还通过结合相位反转法和磁模板法设计了一种能够稳定循环的低弯曲度梯度厚电极。在行业内，大多数企业采用多层涂覆方法进行大功率厚电极的大规模生产。

 

 

厚电极的研究涉及复杂的工程和科学问题。首先，它应该具有良好的机械财产，以适应电极叠片、缠绕等工艺。其次，应构建有效的离子和电子传输网络，以加速厚电极的反应动力学，减少欧姆极化和浓度极化，并提高速率性能和循环稳定性。

将实验方法与理论模拟相结合，建立厚电极结构设计与电化学性能之间的结构-活性关系，是促进厚电极实际应用的重要思路。为了进一步提高厚电极电池的循环性能，可以将预锂化技术与厚电极的结构设计相结合，以获得循环寿命长、能量密度高的锂离子电池。

模板法、激光蚀刻法和3D打印技术都可以实现低弯曲度的特征结构，缩短锂离子传输距离，提高速率性能。电子传输网络在改善锂离子电池的电化学性能方面起着重要作用。

 

 

自支撑结构将一维和二维碳材料引入到厚电极中，以有效提高厚电极的电子传导性。然而，一维和二维碳材料的制备过程非常复杂，很难在实验室进行大规模输出。木材等天然原材料资源丰富，可以降低制造成本，因此具有巨大的发展潜力。

厚电极涉及多学科问题，需要具有材料、电化学、化学和工程等各种专业背景的学者参与，需要科学界和工业界的合作、沟通和共同努力。此外，厚电极的设计原则是构建良好的电荷传输网络，这一研究思路也可以扩展到所有固态电池、锂空气电池系统和钠离子电池系统。