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关于锂电池极片设计的基础知识

导读: 锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池,具有诸多优点,广泛应用于储能、电动汽车、便携式电子产品等领域。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。

锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池,具有诸多优点,广泛应用于储能、电动汽车、便携式电子产品等领域。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)

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图1 极片微观结构示意图

锂电池极片的设计是非常重要的,现针对锂电池极片设计基础知识进行简单介绍。

(1)电极材料的理论容量

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能够提供的容量,其值通过下式计算:

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其中,法拉第常数(F)代表每摩尔电子所携带的电荷,单位C/mol,它是阿伏伽德罗数NA=6.02214 ×1023mol-1与元电荷e=1.602176 × 10-19 C的积,其值为96485.3383±0.0083 C/mol。

例如,LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol,其理论容量为:

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三元材料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩尔质量为96.461 g/mol,其理论容量为278 mAh/g

LiCoO2摩尔质量97.8698 g/mol,如果锂离子全部脱出,其理论克容量274 mAh/g

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72.066 g/mol,石墨的最大理论容量为:

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对于硅负极,由5Si+22Li++22e- ? Li22Si5 可知, 5个硅的摩尔质量为140.430 g/mol,5个硅原子结合22个Li,则硅负极的理论容量为:

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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:

材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量 (3)

(2)电池设计容量与极片面密度

电池设计容量可以通过式(4)计算:

电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积 (4)

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主要原因,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。

(3)负极-正极容量比N/P

负极容量与正极容量的比值定义为:

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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,电池能量密度也会降低。

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:高温气体主要来源于负极,在正极过量设计时,负极电位较低,更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

(4)涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中,电池极片的涂层压实密度通过式(6)计算,

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