作為電動(dòng)汽車的核心系統(tǒng)，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展對(duì)于電動(dòng)汽車具有舉足輕重的影響，更高的比能量意味著更長(zhǎng)的續(xù)航里程，更大的充電電流意味著更短的充電時(shí)間，但是實(shí)際上兩者往往無法兼得。對(duì)于提升能量密度最常見的方法就是提升涂布量，但是過高的涂布量會(huì)導(dǎo)致Li+在電極內(nèi)部的擴(kuò)散受到影響，導(dǎo)致極化增加，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致負(fù)極的電勢(shì)低于0V，引起負(fù)極析鋰現(xiàn)象的發(fā)生。那么對(duì)于一個(gè)特定的厚度究竟能承受多大的電流，或者對(duì)于一個(gè)特定的電流最大電極厚度或者涂布量是多少呢?針對(duì)這些問題我們大多還需要憑借著經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，經(jīng)驗(yàn)得到的結(jié)果往往需要大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這又造成了大量的資源浪費(fèi)，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)效率。

近日，德國(guó)寶馬公司(BMW)與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)了一種對(duì)鋰離子電池在不同的電極參數(shù)下的最大充臨界充電電流進(jìn)行仿真的工具，通過該款工具能夠非常方便的確定電極在不同的涂布厚度和壓實(shí)密度下最大充電電流，從而能夠高效的指導(dǎo)鋰離子電池的設(shè)計(jì)，減少資源的浪費(fèi)。

鋰離子電池模型一般可以分為等效電路模型、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗娀瘜W(xué)模型，其中電化學(xué)模型是最復(fù)雜的，它不僅僅要考慮鋰離子電池內(nèi)部復(fù)雜的多孔電極和多界面結(jié)構(gòu)，還需要考慮鋰離子電池內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，例如Li+在電解液、電極和活性物質(zhì)內(nèi)部的擴(kuò)散，SEI膜的生長(zhǎng)和電解液的分解，甚至是金屬Li的析出等，但是也正是因此鋰離子電池的電化學(xué)模型也是最為準(zhǔn)確的一種模型。

提升電極的涂布厚度是提升鋰離子電池能量密度最為常用的一種方法，我們以常見的NCM622材料為例，在正極不同的孔隙率下，通過提升涂布量都能夠有效的提升電池的體積能量密度(如下圖所示)，但是提升涂布量會(huì)導(dǎo)致多種問題的產(chǎn)生，其中最直接的就是電極面電流密度的升高，電流密度的升高一方面會(huì)導(dǎo)致電極的歐姆和電化學(xué)極化增加，另一方面會(huì)導(dǎo)致Li+在電解液中的濃度梯度增加，導(dǎo)致電極的濃差極化增加，特別是在充電電流過大的極化會(huì)導(dǎo)致負(fù)極的電勢(shì)下降到0V一下，導(dǎo)致金屬Li的析出。

要建立鋰離子電池的電化學(xué)模型需要多方面的知識(shí)，其中最重要的就是擴(kuò)散模型，鋰離子電池正負(fù)極均是多孔結(jié)構(gòu)，因此通常我們采用多孔電極擴(kuò)散模型模擬鋰離子電池在電極內(nèi)部的擴(kuò)散過程(如下式所示)。當(dāng)然鋰離子電池模型不會(huì)僅僅包含Li+擴(kuò)撒模型，模型中還需要包含固相擴(kuò)散、固相導(dǎo)電和電極電勢(shì)，還有電池中的副反應(yīng)等模型，這里就不詳細(xì)說明了。

下圖為采用上述模型分析的NCA/石墨鋰離子電池在1C和C/3倍率放電下涂布厚度與單位面積的容量之間的關(guān)系，從圖中能夠注意到在開始的時(shí)候隨著涂布厚度的增加，電解的容量面密度呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)，但是當(dāng)達(dá)到一定的厚度后電極的容量面密度與電極厚度不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，特別是1C較大倍率下，在電極較薄的情況下，電極的容量面密度就與涂布量不成線性關(guān)系了。這主要是因?yàn)殡姌O厚度較大的情況下Li+無法及時(shí)的擴(kuò)散到NCA電極的底層，同時(shí)由于極化較大，因此導(dǎo)致電極的活性物質(zhì)的容量無法充分發(fā)揮。

為了說明這一問題，作者利用模型分析了NCA/石墨電池在不同放電時(shí)間，電池內(nèi)部Li+在正負(fù)極之間的濃度分布(如下圖所示)，從圖中能夠看到由于正極厚度較大(245um)，因此隨著放電時(shí)間的增加，正極內(nèi)部的Li+濃度快速下降，到放電的后期處于底層位置正極材料周圍的Li+濃度已經(jīng)下降到了0，因此也就導(dǎo)致了這部分活性物質(zhì)無法參與反應(yīng)，影響了正極材料的容量發(fā)揮。

下圖展示了不同厚度的NCA正極，在不同電流密度下的單位面積的容量，從圖中能夠在電流密度較小時(shí)所有的電池都能夠發(fā)揮所有的容量，但是隨著電流密度的增加，厚度較大的電極的單位面積的容量首先出現(xiàn)了下降，隨著電流密度的繼續(xù)升高，較薄的電極也出現(xiàn)了單位面積容量下降的現(xiàn)象，這表明對(duì)于不同厚度的電極都存在一個(gè)臨界點(diǎn)，超過這個(gè)點(diǎn)，就不能充分發(fā)揮正極材料的容量，造成了資源的浪費(fèi)，這就是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中需要尋找的那個(gè)臨界點(diǎn)。