怎樣做好高倍率鋰電池？高倍率電池市場工藝介紹

　　記得早期接觸高倍率鋰電池的時候還沒有現(xiàn)在的Z字型疊片，只有Bell-Core工藝的疊片，而且稍微大一點的型號還得手動來。國內(nèi)早期的幾家鋰電池廠家將這個工藝用到了極致，采用了吸附式疊片，一次性可以吸5片以上，效率還是不錯的。但是這個工藝有很多缺陷，比如：萃取劑毒性比較大、Loading不能做太高導(dǎo)致能量密度很低；但由于這個工藝是真正意義上的凝膠電池，所以安全性能非常好，我親自做過實驗，拿剪刀剪，釘子刺，電池電壓正常，也能充放電，不會起火燃燒。后面卷繞工藝開發(fā)出來后，Bellcore工藝就慢慢淘汰了，高倍率電池也向多極耳發(fā)展了，再到后來，Z字型疊片也出來了。直至今日，用于高倍率電池的工藝主流還是Z字型疊片和多極耳卷繞。

一、高倍率電池市場

　　高倍率電池指的是可以大電流放電的電池，鋰電池的高倍率充放性能與鋰離子在電極、電解質(zhì)以及它們界面處的遷移能力息息相關(guān)，高倍率鋰電池放電倍率可滿足脈沖100C，持續(xù)60C，其被廣泛應(yīng)用于大電流放電等特殊場合。 高倍率電池的用途主要為：電動工具、傳統(tǒng)模型玩具、電子煙、部分醫(yī)療設(shè)備、無人機、啟停等。

　　電動工具和傳統(tǒng)模型是在之前鎳氫的基礎(chǔ)上搶占市場，由于鋰離子電池的特性，導(dǎo)致電動工具市場一直不溫不火，在傳統(tǒng)模型這一塊實現(xiàn)了完美替換，但是市場容量一直沒有很大的起色，2009年高倍率電池總市場容量僅為10億RMB，在鋰電池市場統(tǒng)計中始終處于Others地位。下面摘取高工鋰電的一份數(shù)據(jù)：

圖1 高倍率鋰電池市場

　　最近幾年，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，倍率型鋰離子電池的市場一直在高速增長。

二、高倍率電池材料體系

　　高倍率電池的特點就是能夠大倍率放電，其正負(fù)極體系主流還是鈷酸鋰和石墨體系，當(dāng)然活性材料的顆粒度均比常規(guī)的高容體系要小很多。一般鈷酸鋰的粒徑D50在5-6um，石墨的粒徑在7-8um，粒徑越小，其BET就越大，反應(yīng)活性就越高。電解液體系采用的是低粘度、高鋰鹽濃度的體系，其電導(dǎo)率很高。而隔離膜，主要以高孔隙率、高透氣度為主。

圖2 高倍率電池正極顆粒對比

圖3 高倍率電池負(fù)極顆粒對比

　　在輔材方面，為了滿足高倍率電池的高倍率放電特性，就勢必要添加更多的導(dǎo)電劑來提升極片的電子電導(dǎo)，通常，導(dǎo)電劑都是多種導(dǎo)電劑的混合。

　　總的說來，在材料體系方面，為了實現(xiàn)倍率放電，在電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)方面都需要提升，一旦兩者都提升，那么就意味著高倍率電池整個化學(xué)體系比較活躍，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度要快，從另外一方面來講，就是一旦出現(xiàn)內(nèi)部，熱失控更容易發(fā)生。

　　高倍率電池由于放電電流比較大，因此，內(nèi)部溫升比較高，一般在放電末期，電池表面的溫度會去到60℃以上，此時，電芯內(nèi)部的溫度可能會去到接近80℃的水平，更加加劇了電池內(nèi)部的一些副反應(yīng)發(fā)生，堵塞離子通道，同時，部分溶劑氣化破壞界面，SEI重組損耗電解液，內(nèi)阻增大，倍率下降，循環(huán)性能會衰減很快。

三、高倍率電池工藝

　　目前市面上主流存在的工藝為：Z字型疊片工藝和多極耳卷繞工藝。兩者工藝有個共同點：均需要刀模模切。相對來說，疊片工藝由于每一片都是模切出來，刀模接觸周長更長，其出現(xiàn)毛刺和掉粉的幾率更大；再者，疊片電池在極耳焊接時容易拉扯導(dǎo)致錯位，見圖4和圖5。

圖4 錯位

圖5 毛刺

　　而多極耳工藝同樣也存在類似的問題，畢竟極片經(jīng)過了刀模沖切，損害不可避免。加上倍率電池使用的是高孔隙率、高透氣度的隔膜，其穿刺強度會低于普通隔膜，抗毛刺、粉塵等風(fēng)險要弱，因此，兩種工藝在安全性能上來說要低于普通的數(shù)碼類電池。只是相對于疊片電池來說，多極耳工藝會在效率上面有所提升，降低電池的人工成本和制造成本。

四、高倍率電池一致性

　　高倍率電池由于其使用的特殊性，需要大電流放電，而目前制造廠商在配組篩選時不可能全檢大電流放電性能，基本都是采用的是小電流來檢測容量、電壓平臺等，其實這根本不能很好的解決電池在大電流放電時的一致性。我之前做過研究，設(shè)計一款60C倍率放電的電池，其在35C放電時放電曲線一致性很好，但是一旦倍率擴(kuò)大到55C，放電嚴(yán)重出現(xiàn)不一致，見圖6和圖7：

圖6 35C放電曲線

圖7 55C放電曲線

　　不一致性因為電流增大而擴(kuò)大，這樣很容易導(dǎo)致組合電池出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，尤其是目前很多高倍率電池組沒有加保護(hù)板的情況下很容易因為電池不一致而出現(xiàn)性能衰減快、脹氣甚至起火等情況。

五、總結(jié)

　　鑒于以上分析，我們得知高倍率電池為了滿足其快速放電要求，必須提升整個化學(xué)體系的電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)，勢必會帶來很多缺陷，例如：倍率放電循環(huán)差、安全性能差、配組困難。怎么樣做好高倍率電池是一個需要探討的話題，尤其是倍率和安全的兼顧更是一個難題，任重而道遠(yuǎn)。

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