定量優(yōu)化鋰電池極片微觀結(jié)構(gòu)解析

電動汽車長續(xù)航里程對動力電池提出了更高的能量密度要求，市場和基礎(chǔ)設(shè)施情況同時(shí)又要求動力電池具有良好的倍率特性，而這兩者是相互矛盾的。如何在較高的能量密度下實(shí)現(xiàn)電池良好的倍率特性，這需要從微觀上理解電池極片的機(jī)理，從下至上優(yōu)化電池設(shè)計(jì)。

鋰離子電池極片涂層可看成一種復(fù)合材料，主要由三部分組成：(1)活性物質(zhì)顆粒(act)；(2)導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑相互混合的組成相(碳膠相，sub)；(3)孔隙，填滿電解液。因此，對于電極片涂層，各相的體積關(guān)系由式(1)表示：

(1)

其中，ε為孔隙率，

為活物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，

為碳膠相體積分?jǐn)?shù)。

而電池的倍率特性主要與極片中電子、離子的傳導(dǎo)特性密切相關(guān)，宏觀的多孔電極理論中，鋰離子、電子的有效電導(dǎo)率可由式(2)、式(3)計(jì)算：

(2)

(3)

其中，

鋰離子的有效電導(dǎo)率；

電子的有效電導(dǎo)率；

電解液中鋰離子的電導(dǎo)率；

ε 極片涂層中的孔隙率；

孔隙迂曲度，連同孔隙的曲線通道長度與宏觀入口-出口直線距離比值的平方；

活物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；

活物質(zhì)顆粒相的迂曲度；

電子在活物質(zhì)材料中的電導(dǎo)率；

碳膠相體積分?jǐn)?shù)；

碳膠相的迂曲度；

電子在碳膠相中的電導(dǎo)率；