面密度（Surface Density）是鋰離子電池極片設(shè)計(jì)中的核心參數(shù)，定義為單位面積極片上活性物質(zhì)的質(zhì)量（單位：mg/cm2）。

其計(jì)算關(guān)系式為：

例如，若某電池極片壓實(shí)密度為2.5 g/cm3，厚度為120 μm，則面密度為30 mg/cm2。

關(guān)鍵意義：面密度直接決定極片單位面積的活性物質(zhì)含量，是能量密度（續(xù)航）和倍率性能（充電速度）的調(diào)控杠桿。

倍率充放電是衡量鋰離子電池快充性能的重要指標(biāo)。圖 5 是不同面密度的快充鋰離子電池倍率充放電容量保持率圖，圖中標(biāo)記的數(shù)值是正極面密度/負(fù)極面密度。從圖可以看到，樣品充放電倍率控制在 5C 以內(nèi)時(shí)，正極面密度從 190 g /m2提高到340 g /m2，樣品的容量保持率基本相同，這反映了樣品材料自身的特性。當(dāng)充放電倍率超過 5C 后，正極面密度 340 g /m2的樣品容量保持率急劇降低。而當(dāng)充放電倍率超過 8C 后，正極面密度 310 g /m2的樣品容量保持率也有較大程度降低。可見，隨著充放電倍率的增加，面密度對鋰離子電池充放電性能的影響也逐漸增大。正極面密度不超過 280 g /m2時(shí) 10C 倍率充放電下容量達(dá)到 1C 的 93. 4%以上。

如上所示為不同面密度快充鋰離子電池內(nèi)阻及在 1C 充放電倍率下的容量和比能量。從表 1 可見，按照不同面密度正極來設(shè)計(jì)的快充鋰離子電池基本都達(dá)到了設(shè)計(jì)容量 2 Ah 左右。隨著電極面密度的提升，樣品的交流內(nèi)阻和比能量也都逐漸增大，這和文獻(xiàn)報(bào)道的相一致。當(dāng)正極面密度不超過 220 g /m2時(shí)，快充鋰離子電池的交流內(nèi)阻可控制在 3 mΩ 以下; 而正極面密度不超過310 g /m2時(shí)，快充鋰離子電池的交流內(nèi)阻可控制在4 mΩ 以下?？斐滗囯x子電池在大倍率大電流充電情況下，內(nèi)阻引起的樣品發(fā)熱量特別需要重視，控制合適的樣品內(nèi)阻是樣品設(shè)計(jì)的重要控制點(diǎn)。

高面密度提升續(xù)航面密度越高，單位面積極片容納的活性物質(zhì)越多，能量密度隨之提升。例如，磷酸鐵鋰（LFP）正極面密度從150 mg/cm2提升至340 mg/cm2時(shí)，電池能量密度可增加約30%。

• 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：某高面密度（340 mg/cm2）電池在5C快充下循環(huán)500次后容量保持率僅60.45%，但能量密度顯著高于低面密度設(shè)計(jì)。

續(xù)航的代價(jià)：內(nèi)阻與熱失控風(fēng)險(xiǎn)高面密度導(dǎo)致極片厚度增加，鋰離子擴(kuò)散路徑延長，內(nèi)阻升高（如面密度從150 mg/cm2增至340 mg/cm2時(shí)，內(nèi)阻從34Ω增至65Ω），同時(shí)產(chǎn)熱加劇，可能引發(fā)熱失控。

低面密度優(yōu)化快充能力面密度降低時(shí)，極片變薄，鋰離子擴(kuò)散路徑縮短（如面密度從340 mg/cm2降至150 mg/cm2時(shí)，擴(kuò)散距離減少約60%），極化效應(yīng)減弱，內(nèi)阻降低，更適合快充場景。

• 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：面密度250 mg/cm2的電池在10C快充下，6分鐘可充入80%電量，且循環(huán)2000次后容量保持率高達(dá)98.1%。

極限低面密度的隱患面密度過低（如<150 mg/cm2）會(huì)導(dǎo)致涂布工藝難度增加（漿料顆粒易劃傷極片）、機(jī)械強(qiáng)度下降（易斷裂）、需堆疊更多極片層數(shù)，反而增加成本與安全風(fēng)險(xiǎn)。

理論上，面密度越小越有利于倍率性能的提升。但面密度設(shè)計(jì)也有下限值，因?yàn)槊婷芏刃〉揭欢ㄖ抵螅瑵{料中的大粒徑無法通過涂布機(jī)模頭，導(dǎo)致產(chǎn)生顆粒劃痕，也會(huì)對電池帶來負(fù)面影響。

另外電池不僅有倍率要求，同時(shí)也有容量要求。一味的減少面密度，勢必要增加極片的層數(shù)，層數(shù)增多也增加了風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)用場景優(yōu)先

• 快充需求（如3C產(chǎn)品）：優(yōu)先選擇中低面密度（150-250 mg/cm2），搭配高壓實(shí)密度（如3.2-3.5 g/cm3）以降低內(nèi)阻。

• 長續(xù)航需求（如電動(dòng)汽車）：采用高面密度（280-340 mg/cm2）設(shè)計(jì)，但需結(jié)合熱管理系統(tǒng)優(yōu)化散熱。

材料與工藝協(xié)同

• 正極材料適配：鈷酸鋰（LCO）適合高壓實(shí)密度（3.8-4.3 g/cm3），磷酸鐵鋰（LFP）則需控制壓實(shí)密度在2.0-2.8 g/cm3以平衡性能。

• 輥壓工藝優(yōu)化：多道次輥壓（如3道次）可將極片厚度偏差從±3.0 μm降至±1.4 μm，提升均勻性。

動(dòng)態(tài)測試驗(yàn)證

• 內(nèi)阻與循環(huán)測試：通過EIS（電化學(xué)阻抗譜）檢測電荷轉(zhuǎn)移阻抗，確保面密度設(shè)計(jì)下阻抗≤3 mΩ（快充場景）或≤5 mΩ（儲能場景）。

• 析鋰監(jiān)測：采用電壓弛豫法或微分容量分析（DVA）監(jiān)測快充時(shí)的析鋰風(fēng)險(xiǎn)。

隨著在線檢測技術(shù)的普及，面密度設(shè)計(jì)正從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。例如：

• 實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)：通過涂布機(jī)在線監(jiān)測面密度波動(dòng)（±2%以內(nèi)），動(dòng)態(tài)調(diào)整漿料噴涂參數(shù)。

• 全固態(tài)電池兼容設(shè)計(jì)：半固態(tài)電池通過凝膠電解質(zhì)降低面密度下限，在350 Wh/kg能量密度下仍支持4C快充。

面密度是電芯設(shè)計(jì)中的“黃金參數(shù)”，續(xù)航與快充的取舍本質(zhì)是能量密度與離子動(dòng)力學(xué)的博弈。通過材料創(chuàng)新、工藝精進(jìn)和測試驗(yàn)證，工程師已能在兩者間找到動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)。未來，隨著固態(tài)電池和超充生態(tài)的成熟，面密度的設(shè)計(jì)邊界將進(jìn)一步拓寬，終結(jié)續(xù)航與充電的“二選一”困境。

參考文獻(xiàn)面密度基礎(chǔ)定義與計(jì)算邏輯面密度對快充與循環(huán)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)熱管理與析鋰風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)分析面密度設(shè)計(jì)的工程平衡策略

免責(zé)聲明：文章來源公開網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)交流分享，版權(quán)歸原作者所有，如果侵權(quán)請聯(lián)系我們予以刪除

-----------------------------------------------------------------

0、重磅 | 《新能源汽車動(dòng)力電池包PACK設(shè)計(jì)課程從入門到精通40講+免費(fèi)分享篇》視頻-2024年課程安排

持續(xù)更新：典型電池包案例分析（奧迪etron、捷豹I-pace、大眾MEB、MODEL3、通用BOLT等）：

為什么選擇這套課程：

大家好，我是LEVIN老師，近10年專注新能源動(dòng)力電池包PACK系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電池包熱管理設(shè)計(jì)及CFD仿真。

該課程是全網(wǎng)唯一系統(tǒng)層級的PACK設(shè)計(jì)教程，從零部件開發(fā)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核一系列課程，重點(diǎn)關(guān)注零部件設(shè)計(jì)、熱管理零部件開發(fā)、電氣零部件選型等，讓你從一個(gè)小白從零開始入門學(xué)習(xí)新能源電池包設(shè)計(jì)。

2024回饋新老新能源人，（新能源電池包技術(shù)）公眾號特惠，為方便大家提升，限量50份半價(jià)出售全套《新能源電池包PACK設(shè)計(jì)入門到進(jìn)階30講+免費(fèi)能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門到進(jìn)階28講+番外篇》視頻課程，并送持續(xù)答疑！了解更多課程，加微信號詳詢：LEVIN_simu

1、獨(dú)家 | Ansys Fluent新能源動(dòng)力電池PACK熱仿真從入門到精通28講-2023年課程安排（電池包熱仿真）

說明：第5部分為免費(fèi)分享篇，部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)公開資料收集和整理，不作為商業(yè)用途。

解決動(dòng)力電池包MAP等效4C充電、熱失控?zé)嵋种啤?/span>恒功率AC/PTC滯環(huán)控制電路SOC模型設(shè)置教程；是目前市場上唯壹一套從PACK模型的簡化到熱模型建立和后處理評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計(jì)與仿真課程》，
關(guān)注公眾號：新能源電池包技術(shù)
或加右方微信號：LEVIN_simu

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。