锂电池-设计-电池的极片面容量一般都是多少

面容量，作为极片设计的核心考量因素，指的是单位极片面积上所能承载的存储容量，普遍采用mAh/cm²或Ah/m²等度量单位来量化。这一参数对电池的能量密度与功率密度具有直接且显著的影响，因此，在极片布局时，需紧密结合电池的实际应用场景需求，精细调控面容量水平，以实现电池综合性能的最佳化平衡。

追求较高的面容量，往往要求极片涂层承载更高的负载，进而在维持相同压实密度的前提下，导致极片厚度相应增加。此设计策略通过减少电池中非活性组分的占比，显著提升了活性材料的装载量，不仅能够增强电池的能量密度，还有助于成本效益的优化。例如，当电极厚度从25微米（约等同于8毫克/平方厘米活性材料负载）跃升至200微米（约等同于64毫克/平方厘米活性材料负载）时，非活性组分比例可从44重量百分比锐减至12重量百分比，活性材料负载量增幅超过30%，直观反映在电池能量密度的显著提升上（如图1a所示）。

然而，电极厚度的增加也伴随着挑战：电荷（包括电子与离子）的传输路径延长，电阻相应增大，影响了电荷转移的动力学效率。具体而言，锂离子在更厚的电极中需要更长时间才能抵达并存储于活性位点，这限制了电池的快速充放电能力，即倍率性能，同时也可能对能量密度的进一步提升构成瓶颈（如图1b所示）。此外，在制造过程中，厚电极的干燥阶段易引发断裂与分层问题，为生产稳定可靠的电极结构带来了技术难题（如图1c所示）。

综上所述，电极的面容量（或厚度）设计需寻求一个平衡点，即在保证电池能量密度最大化的同时，避免由厚度增加带来的性能折损与制造难度提升。这一最优区间的确定，是提升电池综合性能、满足多样化市场需求的关键所在（如图1b所示）。

图1  厚电极设计的机遇与挑战

当前，商业化电池领域中，极片涂层的面容量究竟处于何种水平？为了洞悉这一设计参数的实际应用情况，我们综合了商业电池详尽的分析报告与拆解数据，对极片的面容量进行了系统性归纳与总结。在探索这一关键指标时，面容量的测定与计算方法展现出两大主流路径：

1. 直接拆解测试法：此方法涉及将商业电池精细拆解，剥离单侧涂层极片，并巧妙地将这些极片重新组装成小型纽扣电池进行测试。通过精确测量所得容量与对应极片面积，我们能够直接计算出面容量。值得注意的是，在此过程中，往往采用较低的测试倍率，以确保测得的面容量更贴近设计时的理论预期值，从而反映出更为真实的性能水平。

2. 间接容量推算法：另一种方法则依赖于电池的额定容量与拆解后精确测量的极片涂层面积。首先，通过官方或实测获取的电池额定容量作为起点，随后结合拆解数据中的涂层面积信息，计算出正极极片的面容量。对于负极面容量，则通常依据N/P比（负极与正极活性物质的质量比）为1.1的业界惯例进行估算。然而，这种方法可能因多种因素导致计算结果较直接测试法偏低，反映了在理想条件与实际使用之间的差异。

以下是基于上述两种方法得出的详细面容量结果汇总，以表格形式清晰呈现，便于直观理解与分析商业电池极片面容量的设计现状。

如图2清晰展示了正极面容量与电池功率能量比之间的内在联系。这一比例直观地反映了电池性能的两个关键维度：当电池的功率与能量比值倾向于增大时，标志着其功率特性更为优越，即电池能够更快地进行充放电；反之，若该比值减小，则意味着电池的能量密度更高，即单位体积或质量内储存的能量更多。

在电池设计的广阔领域中，主要可划分为两大类别：功率型电池与能量型电池。功率型电池，以其卓越的倍率性能脱颖而出，即便在高速充放电条件下也能保持高效稳定，然而，这一优势往往伴随着能量密度的相对牺牲。为实现这一目标，功率型电池通常采用低面容量的薄极片设计策略，以优化电荷传输路径，减少内阻，从而提升功率响应速度。

相比之下，能量型电池则专注于提升能量密度，致力于在有限的空间或重量内储存更多能量，以满足长续航需求。然而，这一特性往往伴随着功率特性的妥协。为实现高能量密度，能量型电池倾向于采用高面容量的厚极片设计，通过增加活性材料负载量来储存更多能量，但这也增加了电荷传输的复杂性和时间成本，影响了电池的快速充放电能力。

综上所述，正极面容量作为连接电池功率与能量特性的桥梁，在电池设计中扮演着至关重要的角色，其设计选择直接决定了电池是偏向于功率型还是能量型的应用场景。

图2  正极面容量与电池功率能量比的关系

在提及的电池阵列中，A123公司于2009年推出的18650磷酸铁锂电池以其极低的极片面容量——仅1.27mAh/cm²脱颖而出，明确彰显了其作为功率型电池的定位。这款电池通过采用超薄极片设计，极大地削减了锂离子在传输与扩散过程中的阻力，赋予了它高功率输出与超快速充电的非凡能力。

LG化学的HB2与HB4系列18650电池同样沿用了薄极片设计理念，其面容量维持在低于2.0mAh/cm²的水平，进一步印证了它们在功率型电池领域的典型代表地位。

相比之下，特斯拉的4680电池以其卓越的极片面容量设计引领行业前沿，高达4.91mAh/cm²，这得益于负极采用的干法电极工艺，该工艺巧妙地绕开了传统湿法涂布干燥工艺对极片厚度的限制，使得石墨负极厚度跃升至250微米以上，预示着面容量潜力可逼近5.4mAh/cm²。尽管配套的高正极面容量设计以及相对厚实的电池壳体与零部件设计使得其当前能量密度并未达到极致，但无疑为未来的性能提升预留了广阔空间。

此外，松下为特斯拉汽车量身打造的18650与21700电池，以及LG化学的E78软包电池、三星的48G21700电池，均展现出高于4.0mAh/cm²的高面容量设计，彰显了这些产品在高能量密度与高性能方面的卓越追求。

至于其他多数电池产品，它们的极片面容量设计则大多落在了一个相对均衡的区间——2.5至4.0mAh/cm²之间，既兼顾了能量密度也考虑了功率特性，满足了市场上多样化的应用需求。

来源：锂想生活