鋰離子電池是由正極活物質(zhì)、負(fù)極活物質(zhì)、隔膜、電解液、電池殼等關(guān)鍵材料及零部件組成的，在新電池的開發(fā)之前，需要對(duì)電池進(jìn)行設(shè)計(jì)。電池設(shè)計(jì)也就是根據(jù)設(shè)備使用要求，為設(shè)備設(shè)計(jì)出符合條件的電池。在此過程中，不僅要考慮工作電壓、電流、工作環(huán)境等，還要考慮電池的體積、工作時(shí)間、電池性能等。

我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C(jī)、充電寶等產(chǎn)品時(shí)，追求在一定體積內(nèi)電池容量越高越好。影響電池性能和容量的因素有多個(gè)，例如活物質(zhì)、電解液、隔膜、電池的結(jié)構(gòu)、極片生產(chǎn)工藝等等。今天跟大家分享的是在極片設(shè)計(jì)中影響電池容量和性能的關(guān)鍵參數(shù)：面密度和壓實(shí)密度。在活物質(zhì)、電解液等材料一致的情況下，極片的面密度和壓實(shí)密度對(duì)電池有重要的影響。

1.1面密度對(duì)電池放電比容量的影響

“充電五分鐘，通話一小時(shí)”是我們常常聽到的廣告，廣告涉及到的內(nèi)容其實(shí)是電池的快充功能。電池快充功能與電池極片的面密度和壓實(shí)密度密切相關(guān)，為了驗(yàn)證不同面密度對(duì)電池快充的影響，利用鈷酸鋰為正極、石墨為負(fù)極制作了軟包電池。圖1是不同面密度極片的電池在快充（6C）條件下的循環(huán)表現(xiàn)。由圖1可以看出，6 C 大電流充電時(shí)隨正極面密度的減小，其放電比容量明顯提升，且循環(huán)提高。

1.2面密度對(duì)電池內(nèi)阻的影響

電池在循環(huán)過程中，鋰離子不斷的脫嵌、嵌入，進(jìn)行搖椅式運(yùn)動(dòng)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，必然會(huì)有鋰離子脫嵌失敗、鋰金屬析出、電解液氧化分解、產(chǎn)氣等副反應(yīng)發(fā)生。通常，電池的內(nèi)阻會(huì)隨著電池使用時(shí)間的延長而逐漸增大，即內(nèi)阻變化越小，電池循環(huán)壽命越長。表1是不同面密度電池循環(huán)一定次數(shù)后內(nèi)阻的變化情況，這也反應(yīng)了不同面密度對(duì)電池內(nèi)阻的影響。由表1可知面密度為150 g/m2時(shí)，電池初始電阻最小，大電流充電后電池內(nèi)阻增加較??；隨著面密度增加，電池內(nèi)阻增大，在充放電循環(huán)中電池內(nèi)阻增加也較大。

電池的各部分電阻均會(huì)隨電極材料面密度的增大而增大，尤其是SEI 膜電阻增加較明顯，說明面密度增大產(chǎn)生的SEI 膜較厚。電化學(xué)極化及濃差極化電阻增加，表明隨面密度增加電化學(xué)反應(yīng)過程中鋰離子反應(yīng)速率及遷移速率變小，極化增大，表現(xiàn)為不利于電池快速充電從而影響其循環(huán)性能。

1.3面密度對(duì)電池影響微觀分析

不同面密度極片在SEM下如圖3所示?？梢?，極片面密度越低，材料的孔隙率增大，單位質(zhì)量的材料電解液的吸附量因而增大，相應(yīng)的減小溶液接觸電阻；另一方面較小的面密度，極片厚度較小，減小鋰離子的擴(kuò)散距離，同時(shí)面密度越小，正負(fù)極材料的濃度差越小，降低擴(kuò)散的阻力，提高鋰離子在材料中的擴(kuò)散速度；且極片越薄，在充放電中鋰離子不斷的嵌入與脫出對(duì)極片結(jié)構(gòu)造成的變化也越??；同時(shí)，面密度較小，化成時(shí)形成的SEI 薄而穩(wěn)定，減少鋰離子在SEI 膜中的遷移阻力。而面密度較大時(shí)，界面電阻增大，從而降低鋰離子在材料中擴(kuò)散速度，當(dāng)大電流充電時(shí)，鋰離子不容易從材料中脫出，易造成極化，可逆鋰離子減少，因而容量衰減。由此可見，想要使電池具有優(yōu)異的倍率性能，則需要降低極片的面密度。但是，這必將以電池的容量為代價(jià)，快充快放與電池容量不可兼得，需要在兩者間把握一個(gè)合適的值。

同極片面密度一樣， 壓實(shí)密度大小同樣會(huì)對(duì)電池循環(huán)性能造成很大的影響。壓力過小， 顆粒之間接觸不緊密，失去連接，部分顆粒無法接收電流，容量損失；另一方面，壓力過小極片厚度較大，增大鋰離子遷移路徑。壓力過大，顆粒之間接觸太緊密，極片易開裂，同時(shí)電解液浸潤困難，減小了導(dǎo)電率。極片壓實(shí)密度對(duì)電池具體影響如下所述。

2.1壓實(shí)密度對(duì)電池比容量影響

選用相同面密度（150g/m2）的極片，調(diào)整極片的壓實(shí)密度。對(duì)最終電池進(jìn)行測試，不同的壓實(shí)密度對(duì)電池放電比容量的影響如圖4所示。

圖4.不同壓實(shí)密度對(duì)電池放電比容量的影響

由圖4中可以看出，6 C大電流充電時(shí)， 隨壓實(shí)密度增大其首次放電比容量差異不大，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，放電比容量和電池容量維持率均出現(xiàn)了先升高后降低的情況，電池在壓實(shí)密度為3.32g/cc時(shí)，達(dá)到了循環(huán)性能最優(yōu)。

2.2壓實(shí)密度對(duì)電池內(nèi)阻影響

同樣，不同壓實(shí)密度的電池循環(huán)前后的內(nèi)阻也有較大的變化，如表2所示。

表2. 不同壓實(shí)密度電池循環(huán)前后內(nèi)阻變化

由上表可知，壓實(shí)密度越小，在充放電循環(huán)中電池內(nèi)阻增加較大。在一定范圍內(nèi)（3.0-3.32），隨著壓實(shí)密度增加，電池初始電阻越小，大電流充電后電池內(nèi)阻增加較小；超過此范圍后，電池內(nèi)阻升高，且循環(huán)后內(nèi)阻升高較快。這是由于一定范圍內(nèi)壓力較大時(shí)， 顆粒之間接觸緊密，降低了接觸電阻，且容量損失小，另一方面，極片厚度較小，縮短了鋰離子遷移路徑，提高了鋰離子在材料中的遷移速率。但壓實(shí)過大時(shí)，一方面材料對(duì)電解液的浸潤能力較弱，接觸內(nèi)阻增大，產(chǎn)生了負(fù)面影響；另一方面，過壓壓力會(huì)造成極片過壓情況，活物質(zhì)顆粒形貌會(huì)有一定破壞，活物質(zhì)被碾碎后電子和鋰離子在極片內(nèi)部遷移路徑變長，造成了電池內(nèi)阻增大，容量也會(huì)衰減加速。

綜上，不同面密度影響大電流充電時(shí)電池電化學(xué)性能的主要原因是加大的面密度會(huì)增長鋰離子的脫嵌路徑，增大濃差極化，使鋰離子在材料的嵌入和脫出阻力增大。合適的壓實(shí)密度可以降低內(nèi)阻，鋰離子遷移路徑縮短，提高容量，電池快充循環(huán)性能更好。繼續(xù)增大壓實(shí)密度會(huì)導(dǎo)致過壓反而不利于電池快充，故循環(huán)性能也會(huì)隨之下降。在電池設(shè)計(jì)中，由于電池殼體積相同，想要在一定空間內(nèi)獲得較大的容量，則需要將壓實(shí)密度升到最大值，但是過大的壓實(shí)密度也會(huì)帶來不利的影響，也提高了動(dòng)力成本。因此，在設(shè)計(jì)電池時(shí)我們要綜合考慮電池容量、倍率等性能，來選擇合適的面密度和壓實(shí)密度。