锂电池组是一种高容量长寿命环保电池,具有诸多优点,广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和储能等领域。随着社会经济的发展,以电动汽车为代表的动力、储能等领域对锂电池组的比能量、寿命、安全性和成本提出了更高的要求。 而锂电池组是一个复杂系统,其性能不仅取决于电极材料、电解液和隔膜,同时电芯的结构、制造设备与工艺、环境、电芯成组和生产管控对其也有重大影响。

目前,电池技术的研究热点主要集中在电极材料的改性优化、新材料的开发、电化学过程与机理研究,以及新型电池的探索等方面。材料是电池的基础,设计与合成性能更优的新材料是不断提高电池性能的手段之一,然而锂电池组的性能与电池内电子的传输、锂离子在固相或电解液中的传输及其嵌入/脱嵌等物理化学过程密切相关。除了电极材料的固有特性外, 锂离子电池极片微观结构对这些过程也具有重要的影响。

目前,为了解决电动汽车续航里程问题,提高能量密度是锂电池组发展的一个重要方向。制备高涂布量的超厚极片是提升电池比能量的一个较直接的办法,这样可以有效降低非活性物质所占的比重,如集流体、极耳、电池壳体等。随着极片厚度的增加,较低倍率下,电池比能量相应增加;然而在较高倍率下,锂离子扩散动力学受限,电极活性物质利用率随之下降,电池能量密度受损。因此,对于厚极片,为了在保证高载量的同时确保锂离子扩散速度以及活性物质的充分利用,设计和优化电极的微观结构更加重要。

由于具有很高的比容量,发展硅基负极也是提高锂电池组能量密度较有效的途径之一。然而,作为活性物质,硅材料存在的主要问题有:充放电时,体积膨胀达300%~400%;与锂合金化后,晶体硅体积出现明显的变化,这样的体积效应极易造成硅负极材料粉化,并且从集流体上剥离下来。而且由于硅体积效应造成的剥落情况会引起固体电解质膜(SEI)的反复破坏与重建,从而加大了锂离子的消耗,后来影响电池的容量。

不可逆容量高、库伦效率低导致锂电池组实际容量低、循环寿命差。目前研究者正在通过硅粉纳米化,硅碳包覆、掺杂和粘结剂优化等手段解决这些问题。而硅基电极设计方面同样需要优化微观结构。此外,锂电池组的能量密度和功率密度是两个重要的参数,但二者又是相互矛盾的,如何通过电极微观结构的优化设计来平衡这二者也是电极设计的关键。

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