關於鋰電池極片設計的基礎知識

2020-12-05 OFweek維科網

鋰離子電池是一種高容量長壽命環保電池，具有諸多優點，廣泛應用於儲能、電動汽車、可攜式電子產品等領域。電極極片是鋰離子動力電池的基礎，直接決定電池的電化學性能以及安全性。

鋰電池電極是一種顆粒組成的塗層，均勻的塗敷在金屬集流體上。鋰離子電池極片塗層可看成一種複合材料，如圖1所示，主要由三部分組成：(1)活性物質顆粒；(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)；(3)孔隙，填滿電解液。各相的體積關係表示為：孔隙率 + 活物質體積分數 + 碳膠相體積分數 = 1 (1)

圖1 極片微觀結構示意圖

鋰電池極片的設計是非常重要的，現針對鋰電池極片設計基礎知識進行簡單介紹。

(1)電極材料的理論容量

電極材料理論容量，即假定材料中鋰離子全部參與電化學反應所能夠提供的容量，其值通過下式計算：

其中，法拉第常數(F)代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C/mol，它是阿伏伽德羅數NA=6.02214 ×1023mol-1與元電荷e=1.602176 × 10-19 C的積，其值為96485.3383±0.0083 C/mol。

例如，LiFePO4摩爾質量157.756 g/mol，其理論容量為：

三元材料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩爾質量為96.461 g/mol，其理論容量為278 mAh/g

LiCoO2摩爾質量97.8698 g/mol，如果鋰離子全部脫出，其理論克容量274 mAh/g

石墨負極中，鋰嵌入量最大時，形成鋰碳層間化合物，化學式LiC6，即6個碳原子結合一個Li。6個C摩爾質量為72.066 g/mol，石墨的最大理論容量為：

對於矽負極，由5Si+22Li++22e- ? Li22Si5 可知， 5個矽的摩爾質量為140.430 g/mol，5個矽原子結合22個Li，則矽負極的理論容量為：

這些計算值只是理論的克容量，為保證材料結構可逆，實際鋰離子脫嵌係數小於1，實際的材料的克容量為：

材料實際克容量=鋰離子脫嵌係數 × 理論容量 (3)

(2)電池設計容量與極片面密度

電池設計容量可以通過式(4)計算：

電池設計容量=塗層面密度×活物質比例×活物質克容量×極片塗層面積 (4)

其中，塗層的面密度是一個關鍵的設計參數，壓實密度不變時，塗層面密度增加意味著極片厚度增加，電子傳輸距離增大，電子電阻增加，但是增加程度有限。厚極片中，鋰離子在電解液中的遷移阻抗增加是影響倍率特性的主要原因，考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同，離子在孔隙內的遷移距離比極片厚度多出很多倍。

(3)負極-正極容量比N/P

負極容量與正極容量的比值定義為：

N/P要大於1.0，一般1.04~1.20，這主要是處於安全設計，防止負極側鋰離子無接受源而析出，設計時要考慮工序能力，如塗布偏差。但是，N/P過大時，電池不可逆容量損失，導致電池容量偏低，電池能量密度也會降低。

而對於鈦酸鋰負極，採用正極過量設計，電池容量由鈦酸鋰負極的容量確定。正極過量設計有利於提升電池的高溫性能：高溫氣體主要來源於負極，在正極過量設計時，負極電位較低，更易於在鈦酸鋰表面形成SEI膜。

(4)塗層的壓實密度及孔隙率

在生產過程中，電池極片的塗層壓實密度通過式(6)計算，

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