【设计】“充电5分钟，通话2小时”——锂电池面密度、压实密度的参数设计

锂离子电池是由正极活物质、负极活物质、隔膜、电解液、电池壳等关键材料及零部件组成的，在新电池的开发之前，需要对电池进行设计。电池设计也就是根据设备使用要求，为设备设计出符合条件的电池。在此过程中，不仅要考虑工作电压、电流、工作环境等，还要考虑电池的体积、工作时间、电池性能等。

我们日常使用手机、充电宝等产品时，追求在一定体积内电池容量越高越好。影响电池性能和容量的因素有多个，例如活物质、电解液、隔膜、电池的结构、极片生产工艺等等。今天跟大家分享的是在极片设计中影响电池容量和性能的关键参数：面密度和压实密度。在活物质、电解液等材料一致的情况下，极片的面密度和压实密度对电池有重要的影响。

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面密度对电池的影响

1.1面密度对电池放电比容量的影响

“充电五分钟，通话一小时”是我们常常听到的广告，广告涉及到的内容其实是电池的快充功能。电池快充功能与电池极片的面密度和压实密度密切相关，为了验证不同面密度对电池快充的影响，利用钴酸锂为正极、石墨为负极制作了软包电池。图1是不同面密度极片的电池在快充（6C）条件下的循环表现。由图1 可以看出，6 C 大电流充电时随正极面密度的减小，其放电比容量明显提升，且循环提高。

1.2面密度对电池内阻的影响

电池在循环过程中，锂离子不断的脱嵌、嵌入，进行摇椅式运动。随着循环次数的增加，必然会有锂离子脱嵌失败、锂金属析出、电解液氧化分解、产气等副反应发生。通常，电池的内阻会随着电池使用时间的延长而逐渐增大，即内阻变化越小，电池循环寿命越长。表1是不同面密度电池循环一定次数后内阻的变化情况，这也反应了不同面密度对电池内阻的影响。由表1可知面密度为150 g/m2时，电池初始电阻最小，大电流充电后电池内阻增加较小；随着面密度增加，电池内阻增大，在充放电循环中电池内阻增加也较大。

电池的各部分电阻均会随电极材料面密度的增大而增大，尤其是SEI 膜电阻增加较明显，说明面密度增大产生的SEI 膜较厚。电化学极化及浓差极化电阻增加，表明随面密度增加电化学反应过程中锂离子反应速率及迁移速率变小，极化增大，表现为不利于电池快速充电从而影响其循环性能。

1.3面密度对电池影响微观分析

不同面密度极片在SEM下如图3所示。可见，极片面密度越低，材料的孔隙率增大，单位质量的材料电解液的吸附量因而增大，相应的减小溶液接触电阻；另一方面较小的面密度，极片厚度较小，减小锂离子的扩散距离，同时面密度越小，正负极材料的浓度差越小，降低扩散的阻力，提高锂离子在材料中的扩散速度；且极片越薄，在充放电中锂离子不断的嵌入与脱出对极片结构造成的变化也越小；同时，面密度较小，化成时形成的SEI 薄而稳定，减少锂离子在SEI 膜中的迁移阻力。而面密度较大时，界面电阻增大，从而降低锂离子在材料中扩散速度，当大电流充电时，锂离子不容易从材料中脱出，易造成极化，可逆锂离子减少，因而容量衰减。由此可见，想要使电池具有优异的倍率性能，则需要降低极片的面密度。但是，这必将以电池的容量为代价，快充快放与电池容量不可兼得，需要在两者间把握一个合适的值。

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压实密度对电池影响

同极片面密度一样， 压实密度大小同样会对电池循环性能造成很大的影响。压力过小， 颗粒之间接触不紧密，失去连接，部分颗粒无法接收电流，容量损失；另一方面，压力过小极片厚度较大，增大锂离子迁移路径。压力过大，颗粒之间接触太紧密，极片易开裂，同时电解液浸润困难，减小了导电率。极片压实密度对电池具体影响如下所述。

2.1压实密度对电池比容量影响

选用相同面密度（150g/m2）的极片，调整极片的压实密度。对最终电池进行测试，不同的压实密度对电池放电比容量的影响如图4所示。

图4.不同压实密度对电池放电比容量的影响

由图4中可以看出，6 C大电流充电时， 随压实密度增大其首次放电比容量差异不大，但随着循环次数的增加，放电比容量和电池容量维持率均出现了先升高后降低的情况，电池在压实密度为3.32g/cc时，达到了循环性能最优。

2.2压实密度对电池内阻影响

同样，不同压实密度的电池循环前后的内阻也有较大的变化，如表2所示。

表2. 不同压实密度电池循环前后内阻变化

由上表可知，压实密度越小，在充放电循环中电池内阻增加较大。在一定范围内（3.0-3.32），随着压实密度增加，电池初始电阻越小，大电流充电后电池内阻增加较小；超过此范围后，电池内阻升高，且循环后内阻升高较快。这是由于一定范围内压力较大时， 颗粒之间接触紧密，降低了接触电阻，且容量损失小，另一方面，极片厚度较小，缩短了锂离子迁移路径，提高了锂离子在材料中的迁移速率。但压实过大时，一方面材料对电解液的浸润能力较弱，接触内阻增大，产生了负面影响；另一方面，过压压力会造成极片过压情况，活物质颗粒形貌会有一定破坏，活物质被碾碎后电子和锂离子在极片内部迁移路径变长，造成了电池内阻增大，容量也会衰减加速。

总结

综上，不同面密度影响大电流充电时电池电化学性能的主要原因是加大的面密度会增长锂离子的脱嵌路径，增大浓差极化，使锂离子在材料的嵌入和脱出阻力增大。合适的压实密度可以降低内阻，锂离子迁移路径缩短，提高容量，电池快充循环性能更好。继续增大压实密度会导致过压反而不利于电池快充，故循环性能也会随之下降。在电池设计中，由于电池壳体积相同，想要在一定空间内获得较大的容量，则需要将压实密度升到最大值，但是过大的压实密度也会带来不利的影响，也提高了动力成本。因此，在设计电池时我们要综合考虑电池容量、倍率等性能，来选择合适的面密度和压实密度。