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决定电化学性能和安全性 你一定要了解的锂电池极片设计基础知识

  • 产品概述

  锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池,具有诸多优点,大范围的应用于储能、电动汽车、便携式电子科技类产品等领域。电极极片是锂离子动力电池的基础,直接决定电池的电化学性能以及安全性。

  锂电池电极是一种颗粒组成的涂层,均匀的涂敷在金属集流体上。锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料,如图1所示,主要由三部分所组成:(1)活性物质颗粒;(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相);(3)孔隙,填满电解液。各相的体积关系表示为:孔隙率+活物质体积分数+碳胶相体积分数=1(1)

  锂电池极片的设计是很重要的,现针对锂电池极片设计基础知识进行简单介绍。

  电极材料理论容量,即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所可提供的容量,其值通过下式计算:

  石墨负极中,锂嵌入量最大时,形成锂碳层间化合物,化学式LiC6,即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066g/mol,石墨的最大理论容量为:

  这些计算值只是理论的克容量,为保证材料结构可逆,实际锂离子脱嵌系数小于1,实际的材料的克容量为:

  其中,涂层的面密度是一个关键的设计参数,压实密度不变时,涂层面密度增加意味着极片厚度增加,电子传输距离增大,电子电阻增加,但是增加程度有限。厚极片中,锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的根本原因,考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同,离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。

  N/P要大于1.0,一般1.04~1.20,这主要是处于安全设计,防止负极侧锂离子无接受源而析出,设计时要考虑工序能力,如涂布偏差。但是,N/P过大时,电池不可逆容量损失,导致电池容量偏低,电池单位体积内的包含的能量也会降低。

  而对于钛酸锂负极,采用正极过量设计,电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能:高温气体主要来自于负极,在正极过量设计时,负极电位较低,更易于在钛酸锂表明产生SEI膜。

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