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充電5分鐘,通話2小時”——鋰電池面密度、壓實密度的參數(shù)設計

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2017-09-07  來源:鋰電派
摘要: 鋰離子電池是由正極活物質、負極活物質、隔膜、電解液、電池殼等關鍵材料及零部件組成的,在新電池的開發(fā)之前,需要對電池進行設計。電池設計也就是根據(jù)設備使用要求,為設備設計出符合條件的電池。在此過...

 鋰離子電池是由正極活物質、負極活物質、隔膜、電解液、電池殼等關鍵材料及零部件組成的,在新電池的開發(fā)之前,需要對電池進行設計。電池設計也就是根據(jù)設備使用要求,為設備設計出符合條件的電池。在此過程中,不僅要考慮工作電壓、電流、工作環(huán)境等,還要考慮電池的體積、工作時間、電池性能等。

我們日常使用手機、充電寶等產(chǎn)品時,追求在一定體積內電池容量越高越好。影響電池性能和容量的因素有多個,例如活物質、電解液、隔膜、電池的結構、極片生產(chǎn)工藝等等。今天跟大家分享的是在極片設計中影響電池容量和性能的關鍵參數(shù):面密度和壓實密度。在活物質、電解液等材料一致的情況下,極片的面密度和壓實密度對電池有重要的影響。

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面密度對電池的影響

 

1.1面密度對電池放電比容量的影響

充電五分鐘,通話一小時是我們常常聽到的廣告,廣告涉及到的內容其實是電池的快充功能。電池快充功能與電池極片的面密度和壓實密度密切相關,為了驗證不同面密度對電池快充的影響,利用鈷酸鋰為正極、石墨為負極制作了軟包電池。圖1是不同面密度極片的電池在快充(6C)條件下的循環(huán)表現(xiàn)。由圖1可以看出,6 C 大電流充電時隨正極面密度的減小,其放電比容量明顯提升,且循環(huán)提高。

 

1.2面密度對電池內阻的影響

電池在循環(huán)過程中,鋰離子不斷的脫嵌、嵌入,進行搖椅式運動。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,必然會有鋰離子脫嵌失敗、鋰金屬析出、電解液氧化分解、產(chǎn)氣等副反應發(fā)生。通常,電池的內阻會隨著電池使用時間的延長而逐漸增大,即內阻變化越小,電池循環(huán)壽命越長。表1是不同面密度電池循環(huán)一定次數(shù)后內阻的變化情況,這也反應了不同面密度對電池內阻的影響。由表1可知面密度為150 g/m2時,電池初始電阻最小,大電流充電后電池內阻增加較?。浑S著面密度增加,電池內阻增大,在充放電循環(huán)中電池內阻增加也較大。

電池的各部分電阻均會隨電極材料面密度的增大而增大,尤其是SEI 膜電阻增加較明顯,說明面密度增大產(chǎn)生的SEI 膜較厚。電化學極化及濃差極化電阻增加,表明隨面密度增加電化學反應過程中鋰離子反應速率及遷移速率變小,極化增大,表現(xiàn)為不利于電池快速充電從而影響其循環(huán)性能。

 

1.3面密度對電池影響微觀分析

 

不同面密度極片在SEM下如圖3所示??梢?,極片面密度越低,材料的孔隙率增大,單位質量的材料電解液的吸附量因而增大,相應的減小溶液接觸電阻;另一方面較小的面密度,極片厚度較小,減小鋰離子的擴散距離,同時面密度越小,正負極材料的濃度差越小,降低擴散的阻力,提高鋰離子在材料中的擴散速度;且極片越薄,在充放電中鋰離子不斷的嵌入與脫出對極片結構造成的變化也越??;同時,面密度較小,化成時形成的SEI 薄而穩(wěn)定,減少鋰離子在SEI 膜中的遷移阻力。而面密度較大時,界面電阻增大,從而降低鋰離子在材料中擴散速度,當大電流充電時,鋰離子不容易從材料中脫出,易造成極化,可逆鋰離子減少,因而容量衰減。由此可見,想要使電池具有優(yōu)異的倍率性能,則需要降低極片的面密度。但是,這必將以電池的容量為代價,快充快放與電池容量不可兼得,需要在兩者間把握一個合適的值。

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壓實密度對電池影響

 

同極片面密度一樣, 壓實密度大小同樣會對電池循環(huán)性能造成很大的影響。壓力過小, 顆粒之間接觸不緊密,失去連接,部分顆粒無法接收電流,容量損失;另一方面,壓力過小極片厚度較大,增大鋰離子遷移路徑。壓力過大,顆粒之間接觸太緊密,極片易開裂,同時電解液浸潤困難,減小了導電率。極片壓實密度對電池具體影響如下所述。

2.1壓實密度對電池比容量影響

選用相同面密度(150g/m2)的極片,調整極片的壓實密度。對最終電池進行測試,不同的壓實密度對電池放電比容量的影響如圖4所示。

 

4.不同壓實密度對電池放電比容量的影響

由圖4中可以看出6 C大電流充電時, 隨壓實密度增大其首次放電比容量差異不大,但隨著循環(huán)次數(shù)的增加,放電比容量和電池容量維持率均出現(xiàn)了先升高后降低的情況,電池在壓實密度為3.32g/cc時,達到了循環(huán)性能最優(yōu)。

2.2壓實密度對電池內阻影響

同樣,不同壓實密度的電池循環(huán)前后的內阻也有較大的變化,如表2所示。

2. 不同壓實密度電池循環(huán)前后內阻變化

 

由上表可知,壓實密度越小,在充放電循環(huán)中電池內阻增加較大。在一定范圍內(3.0-3.32),隨著壓實密度增加,電池初始電阻越小,大電流充電后電池內阻增加較??;超過此范圍后,電池內阻升高,且循環(huán)后內阻升高較快。這是由于一定范圍內壓力較大時, 顆粒之間接觸緊密,降低了接觸電阻,且容量損失小,另一方面,極片厚度較小,縮短了鋰離子遷移路徑,提高了鋰離子在材料中的遷移速率。但壓實過大時,一方面材料對電解液的浸潤能力較弱,接觸內阻增大,產(chǎn)生了負面影響;另一方面,過壓壓力會造成極片過壓情況,活物質顆粒形貌會有一定破壞,活物質被碾碎后電子和鋰離子在極片內部遷移路徑變長,造成了電池內阻增大,容量也會衰減加速。

總結

綜上,不同面密度影響大流充電時電池電化學性能的主要原因是加大的面密度會增長鋰離子的脫嵌路徑,增大濃差極化,使鋰離子在材料的嵌入和脫出阻力增大合適的壓實密度可以降低內阻,鋰離子遷移路徑縮短,提高容量,電池快充循環(huán)性能更好。繼續(xù)增大壓實密度會導致過壓反而不利于電池快充,故循環(huán)性能也會隨之下降。在電池設計中,由于電池殼體積相同,想要在一定空間內獲得較大的容量,則需要將壓實密度升到最大值,但是過大的壓實密度也會帶來不利的影響,也提高了動力成本。因此,在設計電池時我們要綜合考慮電池容量、倍率等性能,來選擇合適的面密度和壓實密度。

 
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