電池設(shè)計(jì)自下而上分為材料級(jí)、電極級(jí)、電池級(jí)和系統(tǒng)級(jí)四個(gè)層次，每個(gè)層次的設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)鋰離子電池的使用壽命出現(xiàn)顯著的影響。

1.材料設(shè)計(jì)

首先我們來(lái)看電池材料的選擇，鋰離子電池的材料設(shè)計(jì)重要包括正負(fù)極活性物質(zhì)、電解液、導(dǎo)電劑和粘接劑的選擇，合適的設(shè)計(jì)能夠有效的減少界面副反應(yīng)，提升鋰這里電池的循環(huán)壽命，例如在高鎳NCM材料的設(shè)計(jì)中假如采用梯度濃度設(shè)計(jì)能夠有效的改善高鎳材料的循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性，采用單晶材料替代原有的二次顆粒材料也能夠有效的改善循環(huán)穩(wěn)定性，關(guān)于電解液設(shè)計(jì)而言合適的添加劑能夠在電極表面生成更加穩(wěn)定的界面膜，例如研究表明在電解液中添加FEC能夠有效的減少SEI膜的生長(zhǎng)，進(jìn)而減少活性Li的損失，提升電池的循環(huán)壽命。

鋰離子電池全生命周期衰降機(jī)理及應(yīng)對(duì)方法

2.電極設(shè)計(jì)

不僅材料的選擇關(guān)于鋰離子電池的壽命非常重要，正負(fù)極電極的設(shè)計(jì)關(guān)于鋰離子電池的壽命同樣存在重要的影響，例如活性物質(zhì)/導(dǎo)電劑/粘結(jié)劑的配比和電極的涂布厚度等參數(shù)都會(huì)顯著的影響鋰離子電池的壽命。

關(guān)于正負(fù)極設(shè)計(jì)而言，一個(gè)重要的參數(shù)就是負(fù)極與正極容量之間的比例，也就是我們通常所說(shuō)的N/P比，這一比值通常大于1，這樣有利于防止負(fù)極析鋰，提升鋰離子電池的壽命和安全性，但是在N/P設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮首次充電過(guò)程中SEI生成時(shí)對(duì)Li的消耗，過(guò)高的N/P比設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的Li消耗，從而導(dǎo)致首次庫(kù)倫效率的降低。

活性物質(zhì)顆粒直徑的選擇也非常重要，隨著活性物質(zhì)顆粒直徑的降低，雖然電池的功率性能會(huì)有所上升，但是由于材料的比表面積的升高，會(huì)導(dǎo)致電極的副反應(yīng)新增，影響鋰離子電池的壽命。并且隨著顆粒直徑的降低也會(huì)導(dǎo)致電極的壓實(shí)密度的降低，進(jìn)而影響鋰離子電池的能量密度，但是小顆粒能夠減少電極體積膨脹關(guān)于材料本身的破壞，這關(guān)于提升材料（特別是Si材料）的循環(huán)壽命非常重要，因此關(guān)于鋰離子電池而言正負(fù)極活性物質(zhì)的顆粒粒徑的選擇也是一個(gè)非常重要的內(nèi)容。

電極的孔隙率也是電極設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，提高電極的孔隙率有助于t提高Li+在電極內(nèi)的擴(kuò)散速度，從而提升鋰離子電池的功率性能，但是較高的孔隙率也會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)之間接觸較弱，從而導(dǎo)致電子阻抗較大，同時(shí)較高的孔隙率也不利于鋰離子電池的能量密度的提升。

電極厚度的設(shè)計(jì)可以說(shuō)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，小的電極厚度有利于Li+的擴(kuò)散，從而提升鋰離子電池的倍率性能，但是也會(huì)導(dǎo)致銅箔/鋁箔集流體等非活性物質(zhì)在電池中占比過(guò)大，影響鋰離子電池的能量密度，因此高能量密度鋰離子電池的設(shè)計(jì)通常最為有效的辦法就是提升電極的涂布厚度，但是過(guò)厚的電極也會(huì)引起電池極化的新增，影響電池的性能，同時(shí)也更容易導(dǎo)致負(fù)極表面析鋰，影響鋰離子電池的壽命。

3.單體電池設(shè)計(jì)

電芯結(jié)構(gòu)大體上可以分為兩類：1）疊片式結(jié)構(gòu)；2）卷繞式結(jié)構(gòu)（如下圖所示），卷繞式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率高，但是在邊緣彎曲處會(huì)形成較大的應(yīng)力和變形，這會(huì)導(dǎo)致電極內(nèi)部Li濃度的分布不均，影響鋰離子電池使用壽命和安全性。疊片式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率較低，但是極片受力更加均勻，因此一致性更好。

鋰離子電池全生命周期衰降機(jī)理及應(yīng)對(duì)方法

鋰離子電池從外形上可以大致分為三類：1）圓柱形電池；2）方形電池；3）軟包電池，通常我們認(rèn)為圓柱形電池由于散熱面積相對(duì)較少，容易在電池內(nèi)部出現(xiàn)熱量積累，而方形電池和軟包電池散熱效果相對(duì)較好，但是圓柱形電池受力較為均勻，因此使用中不容易變形，而方形電池和軟包電池受到的約束力相對(duì)較小，因此在使用中容易發(fā)生變形，影響電池的正常使用。

4.單體電池設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)于鋰離子電池的使用壽命同樣重要，鋰離子電池成組模式有先并后串和先串后并兩種模式，基于安全性和可靠性的考慮目前鋰離子電池組設(shè)計(jì)通常采用先并后串的模式。

在單體電池組合時(shí)為了穩(wěn)定電池組的結(jié)構(gòu)，通常要施加一定的壓力，而壓力大小關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命有著一定的影響，研究表明施加一定程度的壓力有利于提升電極之間的接觸，從而改善電池的使用壽命，但是當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)由于電池內(nèi)阻新增，引起負(fù)極極化的新增，從而導(dǎo)致負(fù)極析鋰等問(wèn)題，使得鋰離子電池壽命在較大壓力下急劇衰降，因此選擇合適的壓力關(guān)于鋰離子電池的壽命提升同樣重要。

鋰離子電池全生命周期衰降機(jī)理及應(yīng)對(duì)方法

XuebingHan和歐陽(yáng)明高院士通過(guò)自下而上的方法分析鋰離子電池的負(fù)極、正極和全電池的衰降機(jī)理，并從材料、電極、電池和系統(tǒng)四個(gè)層級(jí)逐一分析了改善鋰離子電池壽命的方法和手段，關(guān)于指導(dǎo)鋰離子電池的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有重要的意義。