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锂电池性能评估中压实密度的影响因素
锂离子动力电池在制作过程中,压实密度对电池性能有较大的影响。通过实验
证明,压实密度与片比容量,效率,内阻,以及电池循环性能有密切的关系。
找出最佳压实密度对电池设计很重要。一般来说,压实密度越大,电池的容量
就能做的越高,所以压实密度也被看做材料能量密度的参考指标之一。
压实密度不光和颗粒的大小、密度有关系,还和粒子的级配有关系,压实密度
大的一般都有很好的粒子正态分布。可以认为,工艺条件一定的条件下,压实
密度越大,电池的容量越高。
合适的正极压实密度可以增大电池的放电容量,减小内阻,减小极化损失,延
长电池的循环寿命,提高锂离子电池的利用率。在压实密度过大或过小时,不
利于锂离子的嵌入嵌出。
锂离子电池一般工艺是将活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂一起配制浆料,利
用涂布设备在集流体(一般是铜箔或者铝箔)涂布一层具有一定厚度的浆料,经
过烘干后再进行反面涂布。
经过双面涂布的电极一般会经过一到两次碾压,以便控制电极的孔隙率和
密度,最后电极会进行分切,并卷绕电芯,最后组合成为电池,经过注液化成,
就可以用于商业锂离子电池。
研究发现,除了锂离子电池电极活性物质的固有属性,电极的微观结构对
电池的能量密度和电化学性能也有十分重大的影响。
在未经碾压的电极中,仅有50%的空间被活性物质所占据,提高压实密度,
可以有效的提高电极的体积能量密度和重量能量密度,但是这也会影响电极结
构,例如孔隙率、比表面积、孔径分布和弯曲度等,同时也会影响电极中粘结
剂和导电剂的分布,这会对锂离子电池的电化学性能产生显著的影响。
美国的印第安那波利斯普渡大学的CheolwoongLim等利用了目前最先进的
X射线纳米断层扫描技术(nano-CT)研究了LiCoO2电极压实密度对电极电极结构
和电化学性能的影响。
首先CheolwoongLim利用相同的工艺制备了多片LiCoO2极片,并将其碾
压至不同厚度,他们首先利用同步传输X射线显微镜(XMT)重建了不同极片的孔
隙结构,然后极片会制成扣式电池用于测试极片的电化学性能。
电极浆料配比为活性物质,粘结剂和炭黑94:3:3,在NMP中分散,然后
涂布于铝箔上,涂布厚度从40μm到80μm,最后这些电极都将被碾压到40μm
以得到不同的压实密度,极片的压实密度从2.2g/cm3到3.6g/cm3。
通过nano-CT技术检测极片发现,随着压实密度的上升,碳和粘结剂的体
积密度会上升,孔隙率会下降,比表面积上升,弯曲度上升,接触电阻下降,
电极电解液界面膜SEI阻抗会降低,电荷交换阻抗下降。
从XMT的测试结果可以看到,随着压实密度从2.2g/cm3提升到3.6g/cm3,
电极的孔隙率会从50%左右下降到了30%左右。
与传统的观点不同,CheolwoongLim的研究发现压实密度的上升可以使得
材料的放电比容量更高,倍率性能更好,容量保持率也更高,也能够提高锂离
子电池的放电电压。
研究表明,即使压实密度达到3.6g/cm3,在4C的放电倍率下,锂离子扩散依
速率然不是限制因素,进一步的研究发现,当孔隙率低于75%时,锂离子扩散速
率并不是锂离子电池的倍率性能的限制因素。
较低的压实密度反而会造成放电比容量低的问题,这主要是较高的孔隙率
造成部分颗粒形成绝缘状态,无法参与充放电,而高压实密度的电极有更高的
断裂强度,从而避免在循环过程中电极颗粒脱落,形成绝缘状态颗粒。
高的压实密度可以明显使电极的孔径和孔隙的分布更加均匀,导电剂和粘
结剂分布更加均匀,降低电极的接触电阻和电荷交换阻抗,增大能够参与反应
的活性面积,从而显著的提高材料的电化学性能。
对于电极孔隙曲折度的分析和实验结果发现,电极活性界面面积的提高对
锂离子电池倍率贡献要明显大于Li+在电解液中的扩散。因此,提高压实密度并
不会降低锂离子电池的倍率性能,反而能够在提高电池容量的同时,进一步提
高容量保持率和倍率性能。
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