电池续航和快充为什么难以兼得？

在我们关于能量密度系列文章中，我们将重点关注如何通过更好的活性材料和更密集的电极（正极和负极）来最大化能量密度。

活性材料vs非活性材料

锂离子电池主要由两类材料组成——活性材料和非活性材料。对于大多数电池，电池的正极和负极侧都有活性和非活性材料。

• 活性材料：指直接参与电化学反应的电化学活性成分，使电池能够储存和释放能量。
• 非活性材料：提供电池运行所需基础设施的成分。‍

要最大化能量密度，有两种主要方法：1) 使用能储存更多能量的活性材料；2) 增加电池中活性材料相对于非活性材料的百分比。

负极活性材料

传统负极中最常见的活性材料是石墨。石墨已经在锂离子电池中使用了数十年，其特性已经被充分研究。然而，与硅或锂金属等替代品的理论容量相比，石墨显得逊色。目前最高能量密度的电池使用少量的硅与石墨混合，以稍微提升负极的容量。锂金属在基于锂的系统中具有最高的比容量。

正极活性材料

要最大化正极中的能量储存量[mAh/g]，它必须与储存在负极中的容量[mAh]相匹配。富镍正极，如富镍镍锰钴（NMC）或镍钴铝（NCA）都是高性能正极。它们不仅具有相对较高的容量，还具有较高的电压，这意味着每克材料具有更高的能量储存能力。磷酸铁锂（LFP）是另一种流行的正极化学成分；它的能量低于NMC和NCA等高性能正极，通常在优化成本时更加具备优势。

正极和负极的加载：平衡的艺术

在传统电池中，通过在每一层中添加更多的正极和负极活性材料（更高的电极加载）并使电极更加密集（降低孔隙率），可以提高电池的能量密度。因此，每层可以存储更多能量，并减少每个电池的层数。由于每层还包含无用的非活性材料，较厚的电极可以在一定程度上提升电池的能量密度。

然而，增加电极厚度并非没有挑战。较厚的电极可能会影响离子在电极材料中的扩散路径，导致充电和放电速度变慢。此外，增加电极厚度还可能导致机械稳定性问题，如电极变形或脱层。这意味着在提高电极加载量和电极厚度时，需要在能量密度与电池性能和寿命之间进行权衡。

优化非活性材料

除了提高活性材料的比例外，另一种提高能量密度的方法是减少或优化非活性材料。非活性材料的优化主要集中在以下几个方面：

• 电解质：在传统的锂离子电池中，液态电解质占据了电池内部的相当一部分体积。通过减少电解质的用量或采用固态电解质，可以减少非活性材料的体积，从而提高整体能量密度。
• 集流体：集流体是正极和负极材料附着的导电箔片，通常由铝和铜制成。通过减少集流体的厚度或采用更轻、更薄的材料，可以进一步提升能量密度。
• 隔膜：隔膜是电池中的一层薄膜，用来分隔正极和负极，防止它们接触短路。尽管隔膜对电池的安全性至关重要，但它们并不直接参与能量存储。因此，采用更薄、更强的隔膜可以减少非活性材料的比例，提高电池的能量密度。

总结提高电池能量密度的方法主要包括：使用更高容量的活性材料、增加电极的加载量和厚度、优化非活性材料的比例以及提高封装效率。通过这些方法，可以显著提升电池的能量密度，从而在更小的体积内储存更多的能量，满足电动汽车、电动飞机以及其他对高能量密度有需求的应用。