鋰離子電池是一種高容量長壽命環保電池，具有諸多優點，廣泛應用于儲能、電動汽車、便攜式電子產品等領域。電極極片是鋰離子動力鋰電池的基礎，直接決定電池的電化學性能以及安全性。

鋰離子電池電極是一種顆粒組成的涂層，均勻的涂敷在金屬集流體上。鋰離子電池極片涂層可看成一種復合材料，如圖1所示，重要由三部分組成：(1)活性物質顆粒；(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)；(3)孔隙，填滿電解液。各相的體積關系表示為：孔隙率+活物質體積分數+碳膠相體積分數=1(1)

鋰離子電池極片的設計是非常重要的，現針對鋰離子電池極片設計基礎知識進行簡單介紹。

(1)電極材料的理論容量

電極材料理論容量，即假定材料中鋰離子全部參與電化學反應所能夠供應的容量，其值通過下式計算：

(2)

其中，法拉第常數(F)代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C/mol，它是阿伏伽德羅數NA=6.02214×1023mol-1與元電荷e=1.602176×10-19C的積，其值為96485.33830.0083C/mol。

例如，LiFePO4摩爾質量157.756g/mol，其理論容量為：

三元材料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩爾質量為96.461g/mol，其理論容量為278mAh/g

LiCoO2摩爾質量97.8698g/mol，假如鋰離子全部脫出，其理論克容量274mAh/g

石墨負極中，鋰嵌入量最大時，形成鋰碳層間化合物，化學式LiC6，即6個碳原子結合一個Li。6個C摩爾質量為72.066g/mol，石墨的最大理論容量為：

關于硅負極，由5Si+22Li++22e-？Li22Si5可知，5個硅的摩爾質量為140.430g/mol，5個硅原子結合22個Li，則硅負極的理論容量為：

這些計算值只是理論的克容量，為保證材料結構可逆，實際鋰離子脫嵌系數小于1，實際的材料的克容量為：

材料實際克容量=鋰離子脫嵌系數×理論容量(3)

(2)電池設計容量與極片面密度

電池設計容量可以通過式(4)計算：

電池設計容量=涂層面密度×活物質比例×活物質克容量×極片涂層面積(4)

其中，涂層的面密度是一個關鍵的設計參數，壓實密度不變時，涂層面密度新增意味著極片厚度新增，電子傳輸距離增大，電子電阻新增，但是新增程度有限。厚極片中，鋰離子在電解液中的遷移阻抗新增是影響倍率特性的重要原因，考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同，離子在孔隙內的遷移距離比極片厚度多出很多倍。

(3)負極-正極容量比N/P

負極容量與正極容量的比值含義為：

(5)

N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，這重要是處于安全設計，防止負極側鋰離子無接受源而析出，設計時要考慮工序能力，如涂布偏差。但是，N/P過大時，電池不可逆容量損失，導致電池容量偏低，電池能量密度也會降低。

而關于鈦酸鋰負極，采用正極過量設計，電池容量由鈦酸鋰負極的容量確定。正極過量設計有利于提升電池的高溫性能：高溫氣體重要來源于負極，在正極過量設計時，負極電位較低，更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。

(4)涂層的壓實密度及孔隙率

在生產過程中，電池極片的涂層壓實密度通過式(6)計算，

(6)

而考慮到極片輥壓時，金屬箔材存在延展，輥壓后涂層的面密度通過下式(7)計算。

(7)

前面提到，涂層由活物質相、碳膠相和孔隙組成，孔隙率可由式(8)計算。

(8)

其中，涂層的平均密度為：

(9)

鋰離子電池電極是一種粉體顆粒組成的涂層，由于粉體顆粒表面粗糙，形狀不規則，在堆積時，顆粒與顆粒間必有孔隙，而且有些顆粒本身又有裂縫和孔隙，所以粉體的體積包括粉體自身的體積、粉體顆粒間的孔隙隙和顆粒內部的孔隙，因此，相應的有多種電極涂層密度及孔隙率的表示法。

粉體顆粒的密度是指單位體積粉體的質量。根據粉體所指的體積不同，分為真密度、顆粒密度、堆積密度三種。各種密度含義如下：

a.真密度指粉體質量除以不包括顆粒內外空隙的體積(真實體積)，求得的密度。即排除所有的空隙占有的體積后，求得的物質本身的密度。

b.顆粒密度指粉體質量除以包括開口細孔與封閉細孔在內的顆粒體積，求得的密度。即排除顆粒之間的空隙，但不排除顆粒內部本身的細小孔隙，求得的顆粒本身的密度。

c.堆積密度，即涂層密度，指粉體質量除以該粉體所組成涂層的體積，求得的密度。其所用的體積包括顆粒本身的孔隙以及顆粒之間空隙在內的總體積。

關于同一種粉體，真密度>顆粒密度>堆積密度。

粉體的孔隙率是粉體顆粒涂層中孔隙所占的比率，即粉體顆粒間空隙和顆粒本身孔隙所占體積與涂層總體積之比，常用百分率表示。粉體的孔隙率是與粒子形態、表面狀態、粒子大小及粒度分布等因素有關的一種綜合性質，其孔隙率的大小直接影響著電解液的浸潤和鋰離子傳輸。一般來說，孔隙率越大，電解液浸潤容易，鋰離子傳輸較快。所以在鋰離子電池設計中，有時要測定孔隙率，常用壓汞法、氣體吸附法等進行測定。也可通過密度計算求得。當采用不同的密度進行計算時，孔隙率含義也不同。

當活物質、導電劑、粘結劑的密度都采用真密度計算孔隙率時，所計算的孔隙率包括顆粒之間的空隙、顆粒內部空隙。當活物質、導電劑、粘結劑的密度都采用顆粒密度計算孔隙率時，所計算的孔隙率包括顆粒之間的空隙、而不包括顆粒內部空隙。因此，鋰離子電池極片的孔隙尺寸也是多尺度的，一般地顆粒之間的空隙在微米級尺寸，而顆粒內部空隙在納米到亞微米級。

在多孔電極中，有效擴散率、傳導率等輸運物性的關系可用下式表示：

其中，D0表示材料本身固有擴散(傳導)率，ε為相應相的體積分數，τ為相應物相的迂曲率。在宏觀均質模型中，一般采用Bruggeman關系式，取系數ɑ=1.5來估計多孔電極的有效物性。

電解液填充在多孔電極的孔隙中，鋰離子在孔隙內通過電解液傳導，鋰離子的傳導特性與孔隙率密切相關。孔隙率越大，相當于電解液相體積分數越高，鋰離子有效電導率越大。而正極極片中，電子通過碳膠相傳輸，碳膠相的體積分數，碳膠相的迂曲度又直接決定電子有效電導率。孔隙率和碳膠相的體積分數是相互矛盾的，孔隙率大必然導致碳膠相體積分數降低，因此，鋰離子和電子的有效傳導特性也是相互矛盾的，如圖2所示。隨著孔隙率降低，鋰離子有效電導率降低，而電子有效電導率升高。電極設計中，如何平衡兩者也很關鍵。本屆全國鋰離子電池安全性技術研討會暨國際論壇為我國首次舉辦。研討會暨論壇由華東鋰電技術研究院院長、清華大學鋰離子電池實驗室主任何向明團隊發起并組織，清華大學主辦、華東鋰電技術研究院承辦、協鑫集團協辦，以及英國THT、北京科易動力、煙臺創為贊助支持。本次活動得到國內知名研究機構的專家學者及工研院、日產研究院、天津汽車技術研究中心、天津力神電池、寧德新能源、比克動力鋰電池、微宏動力系統、萊茵技術、華為等國內外科研院所的專家學者及知名公司精英的積極支持與參與。

專家表示，目前，全球鋰離子電池安全性事故時有發生。近年來移動電子產品和電動汽車發展迅速，鋰離子電池市場呈現快速上升的情況，鋰離子電池的安全問題，已經引起業內人士的高度關注，電池安全是解決電動汽車安全和手機自燃問題的關鍵，如何解決鋰離子電池的安全問題，成為行業的新課題和熱點。