懂得充電機(jī)充電鋰電池極片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識就知道了電池的電化學(xué)性能和安全性
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池是一種高容量長壽命環(huán)保充電機(jī)充電蓄電池,具有諸多長處,廣泛應(yīng)用于儲能、電動(dòng)汽車、便攜式電子產(chǎn)品等范疇。電極極片是鋰離子動(dòng)力充電機(jī)充電蓄電池的基礎(chǔ),直接決議充電機(jī)充電蓄電池的電化學(xué)功能以及安全性。
充電機(jī)充電鋰電池電極是一種顆粒組成的涂層,均勻的涂敷在金屬集流體上。充電機(jī)充電鋰離子蓄電池極片涂層可當(dāng)作一種復(fù)合資料,如圖1所示,首要由三部分組成:(1)活性物質(zhì)顆粒;(2)導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑彼此混合的組成相(碳膠相);(3)孔隙,填滿電解液。各相的體積聯(lián)系表明為:孔隙率 + 活物質(zhì)體積分?jǐn)?shù) + 碳膠相體積分?jǐn)?shù) = 1 (1)
充電機(jī)充電鋰電池極片的規(guī)劃是非常重要的,現(xiàn)針對充電機(jī)充電鋰電池極片規(guī)劃基礎(chǔ)知識進(jìn)行簡單介紹。
(1)電極資料的理論容量
電極資料理論容量,即假定資猜中鋰離子悉數(shù)參與電化學(xué)反響所能夠提供的容量,其值經(jīng)過下式核算:
(2)其間,法拉第常數(shù)(F)代表每摩爾電子所帶著的電荷,單位C/mol,它是阿伏伽德羅數(shù)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(zhì)量157.756 g/mol,其理論容量為:
三元資料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩爾質(zhì)量為96.461 g/mol,其理論容量為278 mAh/g
LiCoO2摩爾質(zhì)量97.8698 g/mol,如果鋰離子悉數(shù)脫出,其理論克容量274 mAh/g
石墨負(fù)極中,鋰嵌入量最大時(shí),構(gòu)成鋰碳層間化合物,化學(xué)式LiC6,即6個(gè)碳原子結(jié)合一個(gè)Li。6個(gè)C摩爾質(zhì)量為72.066 g/mol,石墨的最大理論容量為:
關(guān)于硅負(fù)極,由5Si+22Li++22e- ? Li22Si5 可知, 5個(gè)硅的摩爾質(zhì)量為140.430 g/mol,5個(gè)硅原子結(jié)合22個(gè)Li,則硅負(fù)極的理論容量為:
這些核算值僅僅理論的克容量,為確保資料結(jié)構(gòu)可逆,實(shí)踐鋰離子脫嵌系數(shù)小于1,實(shí)踐的資料的克容量為:
資料實(shí)踐克容量=鋰離子脫嵌系數(shù) × 理論容量 (3)
(2)充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃容量與極片面密度
充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃容量能夠經(jīng)過式(4)核算:
充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃容量=涂層面密度×活物質(zhì)份額×活物質(zhì)克容量×極片涂層面積 (4)
其間,涂層的面密度是一個(gè)要害的規(guī)劃參數(shù),壓實(shí)密度不變時(shí),涂層面密度添加意味著極片厚度添加,電子傳輸間隔增大,電子電阻添加,可是添加程度有限。厚極片中,鋰離子在電解液中的搬遷阻抗添加是影響倍率特性的首要原因,考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同,離子在孔隙內(nèi)的搬遷間隔比極片厚度多出很多倍。
(3)負(fù)極-正極容量比N/P
負(fù)極容量與正極容量的比值界說為:
(5)N/P要大于1.0,一般1.04~1.20,這首要是處于安全規(guī)劃,避免負(fù)極側(cè)鋰離子無承受源而分出,規(guī)劃時(shí)要考慮工序才能,如涂布誤差??墒牵琋/P過大時(shí),充電機(jī)充電蓄電池不可逆容量丟失,導(dǎo)致充電機(jī)充電蓄電池容量偏低,充電機(jī)充電蓄電池能量密度也會下降。
而關(guān)于鈦酸鋰負(fù)極,選用正極過量規(guī)劃,充電機(jī)充電蓄電池容量由鈦酸鋰負(fù)極的容量斷定。正極過量規(guī)劃有利于提高充電機(jī)充電蓄電池的高溫功能:高溫氣體首要來源于負(fù)極,在正極過量規(guī)劃時(shí),負(fù)極電位較低,更易于在鈦酸鋰外表構(gòu)成SEI膜。
(4)涂層的壓實(shí)密度及孔隙率
在生產(chǎn)過程中,充電機(jī)充電蓄電池極片的涂層壓實(shí)密度經(jīng)過式(6)核算,
(6)而考慮到極片輥壓時(shí),金屬箔材存在延展,輥壓后涂層的面密度經(jīng)過下式(7)核算。
(7)前面說到,涂層由活物質(zhì)相、碳膠相和孔隙組成,孔隙率可由式(8)核算。
(8)其間,涂層的均勻密度為:
(9)充電機(jī)充電鋰電池電極是一種粉體顆粒組成的涂層,因?yàn)榉垠w顆粒外表粗糙,形狀不規(guī)則,在堆積時(shí),顆粒與顆粒間必有孔隙,而且有些顆粒自身又有裂縫和孔隙,所以粉體的體積包含粉體自身的體積、粉體顆粒間的孔隙隙和顆粒內(nèi)部的孔隙,因而,相應(yīng)的有多種電極涂層密度及孔隙率的表明法。
粉體顆粒的密度是指單位體積粉體的質(zhì)量。依據(jù)粉體所指的體積不同,分為真密度、顆粒密度、堆積密度三種。各種密度界說如下:
a. 真密度指粉體質(zhì)量除以不包含顆粒表里空地的體積(實(shí)在體積),求得的密度。即掃除所有的空地占有的體積后,求得的物質(zhì)自身的密度。
b. 顆粒密度指粉體質(zhì)量除以包含開口細(xì)孔與關(guān)閉細(xì)孔在內(nèi)的顆粒體積,求得的密度。即掃除顆粒之間的空地,但不掃除顆粒內(nèi)部自身的細(xì)微孔隙,求得的顆粒自身的密度。
c. 堆積密度,即涂層密度,指粉體質(zhì)量除以該粉體所組成涂層的體積,求得的密度。其所用的體積包含顆粒自身的孔隙以及顆粒之間空地在內(nèi)的總體積。
關(guān)于同一種粉體,真密度>顆粒密度>堆積密度。
粉體的孔隙率是粉體顆粒涂層中孔隙所占的比率,即粉體顆粒間空地和顆粒自身孔隙所占體積與涂層總體積之比,常用百分率表明。粉體的孔隙率是與粒子形狀、外表狀況、粒子巨細(xì)及粒度散布等要素有關(guān)的一種綜合性質(zhì),其孔隙率的巨細(xì)直接影響著電解液的滋潤和鋰離子傳輸。一般來說,孔隙率越大,電解液滋潤簡單,鋰離子傳輸較快。所以在充電機(jī)充電鋰電池規(guī)劃中,有時(shí)要測定孔隙率,常用壓汞法、氣體吸附法等進(jìn)行測定。也可經(jīng)過密度核算求得。當(dāng)選用不同的密度進(jìn)行核算時(shí),孔隙率意義也不同。
當(dāng)活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的密度都選用真密度核算孔隙率時(shí),所核算的孔隙率包含顆粒之間的空地、顆粒內(nèi)部空地。當(dāng)活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑的密度都選用顆粒密度核算孔隙率時(shí),所核算的孔隙率包含顆粒之間的空地、而不包含顆粒內(nèi)部空地。因而,充電機(jī)充電鋰電池極片的孔隙標(biāo)準(zhǔn)也是多標(biāo)準(zhǔn)的,一般地顆粒之間的空地在微米級標(biāo)準(zhǔn),而顆粒內(nèi)部空地在納米到亞微米級。
在多孔電極中,有用分散率、傳導(dǎo)率等輸運(yùn)物性的聯(lián)系可用下式表明:
(10)其間,D0表明資料自身固有分散(傳導(dǎo))率,ε為相應(yīng)相的體積分?jǐn)?shù),τ為相應(yīng)物相的迂曲率。在微觀均質(zhì)模型中,一般選用Bruggeman聯(lián)系式,取系數(shù)ɑ=1.5來估量多孔電極的有用物性。
(11)電解液填充在多孔電極的孔隙中,鋰離子在孔隙內(nèi)經(jīng)過電解液傳導(dǎo),鋰離子的傳導(dǎo)特性與孔隙率密切相關(guān)??紫堵试酱?,相當(dāng)于電解液相體積分?jǐn)?shù)越高,鋰離子有用電導(dǎo)率越大。而正極極片中,電子經(jīng)過碳膠相傳輸,碳膠相的體積分?jǐn)?shù),碳膠相的迂曲度又直接決議電子有用電導(dǎo)率。孔隙率和碳膠相的體積分?jǐn)?shù)是彼此對立的,孔隙率大必然導(dǎo)致碳膠相體積分?jǐn)?shù)下降,因而,鋰離子和電子的有用傳導(dǎo)特性也是彼此對立的,如圖2所示。跟著孔隙率下降,鋰離子有用電導(dǎo)率下降,而電子有用電導(dǎo)率升高。電極規(guī)劃中,如何平衡兩者也很要害。
圖2 電子和鋰離子有用電導(dǎo)率與孔隙率的聯(lián)系
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