關(guān)于鋰電池極片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)

鋰離子電池是一種高容量長(zhǎng)壽命環(huán)保電池，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。電極極片是鋰離子動(dòng)力電池的基礎(chǔ)，直接決定電池的電化學(xué)性能以及安全性。

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。鋰離子電池極片涂層可看成一種復(fù)合材料，如圖1所示，主要由三部分組成：(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(guān)系表示為：孔隙率 + 活物質(zhì)體積分?jǐn)?shù) + 碳膠相體積分?jǐn)?shù) = 1 (1)

圖1 極片微觀結(jié)構(gòu)示意圖

鋰電池極片的設(shè)計(jì)是非常重要的，現(xiàn)針對(duì)鋰電池極片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)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(xué)反應(yīng)所能夠提供的容量，其值通過下式計(jì)算：

其中，法拉第常數(shù)(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(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：

三元材料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，如果鋰離子全部脫出，其理論克容量274 mAh/g

石墨負(fù)極中，鋰嵌入量最大時(shí)，形成鋰碳層間化合物，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：

對(duì)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：

這些計(jì)算值只是理論的克容量，為保證材料結(jié)構(gòu)可逆，實(shí)際鋰離子脫嵌系數(shù)小于1，實(shí)際的材料的克容量為：

材料實(shí)際克容量=鋰離子脫嵌系數(shù) × 理論容量 (3)

(2)電池設(shè)計(jì)容量與極片面密度

電池設(shè)計(jì)容量可以通過式(4)計(jì)算：

電池設(shè)計(jì)容量=涂層面密度×活物質(zhì)比例×活物質(zhì)克容量×極片涂層面積 (4)

其中，涂層的面密度是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，壓實(shí)密度不變時(shí)，涂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(nèi)的遷移距離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定義為：

N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，這主要是處于安全設(shè)計(jì)，防止負(fù)極側(cè)鋰離子無接受源而析出，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工序能力，如涂布偏差。但是，N/P過大時(shí)，電池不可逆容量損失，導(dǎo)致電池容量偏低，電池能量密度也會(huì)降低。

而對(duì)于鈦酸鋰負(fù)極，采用正極過量設(shè)計(jì)，電池容量由鈦酸鋰負(fù)極的容量確定。正極過量設(shè)計(jì)有利于提升電池的高溫性能：高溫氣體主要來源于負(fù)極，在正極過量設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)極電位較低，更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。

(4)涂層的壓實(shí)密度及孔隙率

在生產(chǎn)過程中，電池極片的涂層壓實(shí)密度通過式(6)計(jì)算，