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简析锂离子电池的两大性能指标:能量密度与充放电倍率

放大字体 缩小字体 发布日期:2018-09-05 04:34:05   来源:新能源网  编辑:全球新能源网  浏览次数:713


  在正极材料处,我们希望极片要足够的薄,也就是活性材料的厚度要小,这样等于缩短了赛跑的距离,所以希望尽可能的提高正极材料压实密度。在活性物质内部,要有足够的孔间隙,给锂离子留出比赛的通道,同时这些“跑道”分布要均匀,不要有的地方有,有的地方没有,这就要优化正极材料的结构,改变粒子之间的距离和结构,做到均匀分布。以上两点,其实是相互矛盾的,提高压实密度,虽然厚度变薄,但是粒子间隙会变小,跑道就会显得拥挤,反之,保持一定的粒子间隙,不利于把材料做薄。所以需要寻找一个平衡点,以达到最佳的锂离子迁移速率。

简析锂离子电池的两大性能指标能量密度与充放电倍率

  此外,不同材料的正极物质,对锂离子的扩散系数有显著影响。因此,选择锂离子扩散系数比较高的正极材料,也是改善倍率性能的重要方向。

  负极材料的处理思路,与正极材料类似,也是主要从材料的结构、尺寸、厚度等方面着手,减小锂离子在负极材料中的浓度差,改善锂离子在负极材料中的扩散能力。以碳基负极材料为例,近年来针对纳米碳材料的研究(纳米管、纳米线、纳米球等),取代传统的负极层状结构,就可以显著的改善负极材料的比表面积、内部结构和扩散通道,从而大幅度提升负极材料的倍率性能。

  2. 提高电解质的离子电导率

  锂离子在正/负极材料里面玩的是赛跑,在电解质里面的比赛项目却是游泳。

  游泳比赛,如何降低水(电解液)的阻力,就成为速度提升的关键。近年来,游泳运动员普遍穿着鲨鱼服,这种泳衣可以极大的降低水在人体表面形成的阻力,从而提高运动员的比赛成绩,并且成为非常有争议的话题。

简析锂离子电池的两大性能指标能量密度与充放电倍率

  锂离子要在正、负极之间来回穿梭,就如同在电解质和电池壳体所构成的“游泳池”里面游泳,电解质的离子电导率如同水的阻力一样,对锂离子游泳的速度有非常大的影响。目前锂离子电池所采用的有机电解质,不管是液体电解质,还是固体电解质,其离子电导率都不是很高。电解质的电阻成为整个电池电阻的重要组成部分,对锂离子电池高倍率性能的影响不容忽视。

  除了提高电解质的离子电导率之外,还需要着重关注电解质的化学稳定性和热稳定性。在大倍率充放电时,电池的电化学窗口变化范围非常宽,如果电解质的化学稳定性不好,容易在正极材料表面氧化分解,影响电解质的离子电导率。电解液的热稳定性则对锂离子电池的安全性和循环寿命有非常大的影响,因为电解质受热分解时会产生很多气体,一方面对电池安全构成隐患,另一方面有些气体对负极表面的SEI膜产生破坏作用,影响其循环性能。

  因此,选择具有较高的锂离子传导能力、良好的化学稳定性和热稳定性、且与电极材料匹配的电解质是提高锂离子电池倍率性能的一个重要方向。

  3. 降低电池的内阻

  这里涉及到几种不同的物质和物质之间的界面,它们所形成的电阻值,但都会对离子/电子的传导产生影响。

  一般在正极活性物质内部会添加导电剂,从而降低活性物质之间、活性物质与正极基体/集流体的接触电阻,改善正极材料的电导率(离子和电子电导率),提升倍率性能。不同材料不同形状的导电剂,都会对电池的内阻产生影响,进而影响其倍率性能。

  正负极的集流体(极耳)是锂离子电池与外界进行电能传递的载体,集流体的电阻值对电池的倍率性能也有很大的影响。因此,通过改变集流体的材质、尺寸大小、引出方式、连接工艺等,都可以改善锂离子电池的倍率性能和循环寿命。

  电解质与正负极材料的浸润程度,会影响电解质与电极界面处的接触电阻,从而影响电池的倍率性能。电解质的总量、粘度、杂质含量、正负极材料的孔隙等,都会改变电解质与电极的接触阻抗,是改善倍率性能的重要研究方向。

  锂离子电池在第一次循环的过程中,随着锂离子嵌入负极,在负极会形成一层固态电解质(SEI)膜,SEI膜虽然具有良好的离子导电性,但是仍然会对锂离子的扩散有一定的阻碍作用,尤其是大倍率充放电的时候。随着循环次数的增加,SEI膜会不断脱落、剥离、沉积在负极表面,导致负极的内阻逐渐增加,成为影响循环倍率性能的因素。因此,控制SEI膜的变化,也能够改善锂离子电池长期循环过程中的倍率性能。

  此外,隔离膜的吸液率和孔隙率也对锂离子的通过性有较大的影响,也会一定程度上影响锂离子电池的倍率性能(相对较小)。

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  上篇详解锂离子电池让世界转动的能量载体》

  中篇《锂离子电池的八大参数指标及正负极材料分析》

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关键词: 倍率 负极

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