懂得充電機充電鋰電池極片設計基礎知識就知道了電池的電化學性能和安全性
2017-9-2 9:48:36??????點擊：
充電機充電鋰離子蓄電池是一種高容量長壽命環(huán)保充電機充電蓄電池，具有諸多長處，廣泛應用于儲能、電動汽車、便攜式電子產(chǎn)品等范疇。電極極片是鋰離子動力充電機充電蓄電池的基礎，直接決議充電機充電蓄電池的電化學功能以及安全性。
充電機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。充電機充電鋰離子蓄電池極片涂層可當作一種復合資料，如圖1所示，首要由三部分組成：(1)活性物質顆粒；(2)導電劑和黏結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 + 活物質體積分數(shù) + 碳膠相體積分數(shù) = 1 (1)
充電機充電鋰電池極片的規(guī)劃是非常重要的，現(xiàn)針對充電機充電鋰電池極片規(guī)劃基礎知識進行簡單介紹。
(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，如果鋰離子悉數(shù)脫出，其理論克容量274 mAh/g
石墨負極中，鋰嵌入量最大時，構成鋰碳層間化合物，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：
關于硅負極，由5Si+22Li++22e- ? Li22Si5 可知， 5個硅的摩爾質量為140.430 g/mol，5個硅原子結合22個Li，則硅負極的理論容量為：
這些核算值僅僅理論的克容量，為確保資料結構可逆，實踐鋰離子脫嵌系數(shù)小于1，實踐的資料的克容量為：
資料實踐克容量=鋰離子脫嵌系數(shù) × 理論容量 (3)
(2)充電機充電蓄電池規(guī)劃容量與極片面密度
充電機充電蓄電池規(guī)劃容量能夠經(jīng)過式(4)核算：
充電機充電蓄電池規(guī)劃容量=涂層面密度×活物質份額×活物質克容量×極片涂層面積 (4)
其間，涂層的面密度是一個要害的規(guī)劃參數(shù)，壓實密度不變時，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，離子在孔隙內的搬遷間隔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，避免負極側鋰離子無承受源而分出，規(guī)劃時要考慮工序才能，如涂布誤差?？墒牵琋/P過大時，充電機充電蓄電池不可逆容量丟失，導致充電機充電蓄電池容量偏低，充電機充電蓄電池能量密度也會下降。
而關于鈦酸鋰負極，選用正極過量規(guī)劃，充電機充電蓄電池容量由鈦酸鋰負極的容量斷定。正極過量規(guī)劃有利于提高充電機充電蓄電池的高溫功能：高溫氣體首要來源于負極，在正極過量規(guī)劃時，負極電位較低，更易于在鈦酸鋰外表構成SEI膜。
(4)涂層的壓實密度及孔隙率
在生產(chǎn)過程中，充電機充電蓄電池極片的涂層壓實密度經(jīng)過式(6)核算，
(6)而考慮到極片輥壓時，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)充電機充電鋰電池電極是一種粉體顆粒組成的涂層，因為粉體顆粒外表粗糙，形狀不規(guī)則，在堆積時，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部的孔隙，因而，相應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. 真密度指粉體質量除以不包含顆粒表里空地的體積(實在體積)，求得的密度。即掃除所有的空地占有的體積后，求得的物質自身的密度。
b. 顆粒密度指粉體質量除以包含開口細孔與關閉細孔在內的顆粒體積，求得的密度。即掃除顆粒之間的空地，但不掃除顆粒內部自身的細微孔隙，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的總體積。
關于同一種粉體，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、粒子巨細及粒度散布等要素有關的一種綜合性質，其孔隙率的巨細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。所以在充電機充電鋰電池規(guī)劃中，有時要測定孔隙率，常用壓汞法、氣體吸附法等進行測定。也可經(jīng)過密度核算求得。當選用不同的密度進行核算時，孔隙率意義也不同。
當活物質、導電劑、粘結劑的密度都選用真密度核算孔隙率時，所核算的孔隙率包含顆粒之間的空地、顆粒內部空地。當活物質、導電劑、粘結劑的密度都選用顆粒密度核算孔隙率時，所核算的孔隙率包含顆粒之間的空地、而不包含顆粒內部空地。因而，充電機充電鋰電池極片的孔隙標準也是多標準的，一般地顆粒之間的空地在微米級標準，而顆粒內部空地在納米到亞微米級。
在多孔電極中，有用分散率、傳導率等輸運物性的聯(lián)系可用下式表明：
(10)其間，D0表明資料自身固有分散(傳導)率，ε為相應相的體積分數(shù)，τ為相應物相的迂曲率。在微觀均質模型中，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，鋰離子在孔隙內經(jīng)過電解液傳導，鋰離子的傳導特性與孔隙率密切相關。孔隙率越大，相當于電解液相體積分數(shù)越高，鋰離子有用電導率越大。而正極極片中，電子經(jīng)過碳膠相傳輸，碳膠相的體積分數(shù)，碳膠相的迂曲度又直接決議電子有用電導率?？紫堵屎吞寄z相的體積分數(shù)是彼此對立的，孔隙率大必然導致碳膠相體積分數(shù)下降，因而，鋰離子和電子的有用傳導特性也是彼此對立的，如圖2所示。跟著孔隙率下降，鋰離子有用電導率下降，而電子有用電導率升高。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率與孔隙率的聯(lián)系
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