鋰離子電池比能量的提升離不開材料技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)工藝的提升。目前，關(guān)于鋰離子電池的研究工作多集中在開發(fā)新的電極活性材料，隔膜和電解質(zhì)材料，卻很少關(guān)注電極和電池結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響。比如通過優(yōu)化電極的結(jié)構(gòu)，可以提高電極的導(dǎo)電性和其對(duì)電解液的浸潤性能，加快電子和離子在整個(gè)電極內(nèi)部的傳輸速率，進(jìn)而提升電池的能量密度和倍率性能。
提升涂布量是提升鋰離子電池能量密度的有效方式，但是隨著涂布量的上升，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的電性能，特別是倍率性能和循環(huán)性能出現(xiàn)了顯著的下降，這主要是因?yàn)殇囯x子電池的電極是由顆粒組成的多孔結(jié)構(gòu)，其中的孔隙復(fù)雜、迂曲度高，會(huì)顯著增加鋰離子在其中擴(kuò)散的阻力。能量密度提高以后，電極設(shè)計(jì)問題更突出。活性物質(zhì)在電池中的占比是影響電池比能量的一個(gè)重要因素。同樣正負(fù)極材料，同樣的克容量，如果一個(gè)電池里面活性物質(zhì)質(zhì)量占比較小的話，電池的能量密度就低。所以要提高能量密度，一定要從相同重量的電池里面盡量多地填充活性物質(zhì)。活性物質(zhì)多一定是輔助材料少，銅箔要減少、鋁箔要減少;其實(shí)最主要的是將電極做厚，電極厚了，集流體和隔膜的用量也就減少了。然而，如何獲得既具有良好的電子/離子傳輸特性，又具有較高活性物質(zhì)負(fù)載量的厚電極是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。鋰離子電池電極不能做厚，厚了之后電極表面極化就變大了，電極在厚度方向的利用率就降低，而且會(huì)造成充電過程中負(fù)極析鋰、正極分解等問題。從提高能量密度來講，希望越厚越好;但是極化理論告訴我們，電極越薄越好，這兩者是完全矛盾的。隨著能量密度提高，比如一個(gè)單體100wh/kg，現(xiàn)在變成300 wh/kg，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對(duì)于高能量密度電池，保持功率性能是非常難的，所以高載量的電極設(shè)計(jì)技術(shù)越來越重要。
越靠近隔膜的時(shí)候液相電流是越大的，這個(gè)電流就是外部電流;沿著極片厚度方向，液相電流慢慢減少，固相電流逐漸增加。所以越靠近隔膜電極孔隙應(yīng)該越高，越靠近電極的集流體，電極孔隙可以越低。所以，既要保證高能量密度、又要保證功率性能，如何解決這種矛盾呢?在鋰離子電池厚電極技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面取得突出成績的日本電池專家大田直樹先生(Naoki Ota)做了一個(gè)“半固態(tài)電極—下一代產(chǎn)品和制造平臺(tái)”的專題演講。
自2012年以來，大田直樹一直是24M技術(shù)公司的首席技術(shù)官，是公認(rèn)的鋰離子電池全球?qū)＜遥阡囯x子電池行業(yè)擁有28年的經(jīng)驗(yàn)。直樹先生與人共同創(chuàng)建了Quallion公司,為醫(yī)療和航空航天行業(yè)服務(wù)。作為Ene1的首席技術(shù)官和首席運(yùn)營官以及Ener1的總裁和首席運(yùn)營官，直樹先生在美國、韓國和中國領(lǐng)導(dǎo)混合動(dòng)力汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能產(chǎn)品線和制造工廠的運(yùn)營。最近，他與國內(nèi)某骨干動(dòng)力電池企業(yè)合作，采用厚電極技術(shù)顯著提升了磷酸鐵鋰電池的單體比能量。直樹先生認(rèn)為，自28年前索尼首次推出第一批鋰離子電池以來，基本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方法沒有改變，但產(chǎn)品應(yīng)用從消費(fèi)電子快速轉(zhuǎn)向市場(chǎng)規(guī)模更大的汽車和電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，市場(chǎng)需要更可靠、更低成本和更靈活的平臺(tái)來充分滿足所有客戶的需求。在本次論壇期間，直樹先生將介紹24M公司采用半固態(tài)電極提高比能量的主要做法。他認(rèn)為，聚合物粘合劑和濕涂層工藝是鋰離子電池制造的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。但是，24M一會(huì)在問粘合劑是否真的有必要，并且已經(jīng)證明沒有必要。粘合劑的使用是降低成本、提高安全性和提高能量密度的主要障礙。24M的半固態(tài)電極平臺(tái)解決了這些問題，并提供了許多傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o法比擬的獨(dú)特特性。
