鋰電池電極生產(chǎn)的重要指標(biāo)是什么？如何優(yōu)化鋰離子電池的綜合性能？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-25 09:47
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壓實密度是鋰電池電極生產(chǎn)過程中一個重要指標(biāo)。壓實密度越高，鋰電池在單位體積可以裝入更多的電極，同時還可以提高活性物質(zhì)在鋰電池總理論的占比，因此不僅可以提升電池的體積能量密度，同時還可以提高鋰電池的質(zhì)量能量密度。但是，極片壓實密度并不是越高對鋰電池性能越好。因為當(dāng)壓實密度和電極的孔隙率成反比，壓實密度越大，材料顆粒之間的擠壓程度會越大，極片的孔隙度就會越小，極片的吸收電解液的性能就會越差，電解液越難以浸潤，那么直接的后果就的材料的比容量發(fā)揮較低，電池的保液能力較差，電池循環(huán)過程中極化就大，衰減就會較大，內(nèi)阻增加也尤為明顯。因此選擇合適的壓實密度，優(yōu)化鋰離子電池的綜合性能就顯得尤為重要。
韓國首爾大學(xué)的SangGunLee和DongHyupJeon教授就利用多相網(wǎng)格玻爾茲曼方法（LBM）對電解液在電極中的擴(kuò)散的動力學(xué)特性進(jìn)行過相應(yīng)研究，結(jié)果表明過度提高電極的壓實密度會導(dǎo)致電極的浸潤性顯著下降，特別是達(dá)到某一限度時，電解液在垂直電極方向上的浸潤下降非常明顯，注入的電解液主要聚集到電極表面和隔膜上。負(fù)極材料由于碾壓過程中顆粒變形較大，因此相比于正極在相同的碾壓比例下負(fù)極的浸潤性更差。
LBM來源于對理想氣體的研究，LBM模型中的顆粒采用分布函數(shù)模擬：
常用的正極材料例如LiCoO2、LiMn2O4、Li(NiCoMn)O2和LiFePO4等硬度比較高，因此在壓實過程中塑性變形不明顯，更多的是發(fā)生了顆粒的重新排布。但是對于石墨負(fù)極來說，石墨的顆粒相對比較軟，因此在碾壓過程中會發(fā)生塑性變形。如壓實后的電極SEM照片所示（見下圖）。a圖中正極材料經(jīng)過碾壓后仍然保持原來的球型形貌，而負(fù)極材料的顆粒發(fā)生了明顯的形變，因此負(fù)極碾壓需要考慮石墨材料在碾壓過程中發(fā)生的形變。
如果假設(shè)活性物質(zhì)顆粒在壓實過程中不會被破壞，只是影響顆粒之間的空隙大小。根據(jù)上述假設(shè)DongHyupJeon教授驗證了正極和負(fù)極材料在0%、10%、20%、30%和40%五種不同壓實比例下的電極結(jié)構(gòu)（如下圖所示），在壓實過程中活性物質(zhì)顆粒的體積是保持不變的，但是電極之間的空隙體積會持續(xù)的降低。在壓實過程中正極活性物質(zhì)顆粒形貌無明顯改變，而石墨負(fù)極在碾壓過程中碾壓比例較高時活性物質(zhì)顆粒從球形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形。
在不同的碾壓比例下正極和負(fù)極孔隙率的變化如下圖所示，正極和負(fù)極電極在未碾壓是孔隙率約為40%，當(dāng)壓實密度提高時，電極密度下降很快，當(dāng)電極的碾壓厚度達(dá)到40%以后，電極的孔隙率就可以認(rèn)為不存在了。但是LBM模型預(yù)測值卻要明顯高于0，這主要是因為LBM模型是一個二維模型，在二維模型中，活性物質(zhì)顆粒之間會發(fā)生重疊，這也是該模型失真的地方。由于碾壓后正極材料無明顯變形，負(fù)極則發(fā)生了塑性形變，所以在相同的壓實密度下正極的孔隙率要高于負(fù)極。
電解液在電極的浸潤過程過程可以分為:
1、首先電解液開始進(jìn)入電極
2、電解液沿著電極和隔膜進(jìn)行擴(kuò)散
3、電解液沿隔膜擴(kuò)散速度較快，電解液再從隔膜向電極內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散
韓國首爾大學(xué)的SangGunLee和DongHyupJeon教授就利用多相網(wǎng)格玻爾茲曼方法（LBM）對電解液在電極中的擴(kuò)散的動力學(xué)特性進(jìn)行過相應(yīng)研究，結(jié)果表明過度提高電極的壓實密度會導(dǎo)致電極的浸潤性顯著下降，特別是達(dá)到某一限度時，電解液在垂直電極方向上的浸潤下降非常明顯，注入的電解液主要聚集到電極表面和隔膜上。負(fù)極材料由于碾壓過程中顆粒變形較大，因此相比于正極在相同的碾壓比例下負(fù)極的浸潤性更差。
LBM來源于對理想氣體的研究，LBM模型中的顆粒采用分布函數(shù)模擬：
常用的正極材料例如LiCoO2、LiMn2O4、Li(NiCoMn)O2和LiFePO4等硬度比較高，因此在壓實過程中塑性變形不明顯，更多的是發(fā)生了顆粒的重新排布。但是對于石墨負(fù)極來說，石墨的顆粒相對比較軟，因此在碾壓過程中會發(fā)生塑性變形。如壓實后的電極SEM照片所示（見下圖）。a圖中正極材料經(jīng)過碾壓后仍然保持原來的球型形貌，而負(fù)極材料的顆粒發(fā)生了明顯的形變，因此負(fù)極碾壓需要考慮石墨材料在碾壓過程中發(fā)生的形變。
如果假設(shè)活性物質(zhì)顆粒在壓實過程中不會被破壞，只是影響顆粒之間的空隙大小。根據(jù)上述假設(shè)DongHyupJeon教授驗證了正極和負(fù)極材料在0%、10%、20%、30%和40%五種不同壓實比例下的電極結(jié)構(gòu)（如下圖所示），在壓實過程中活性物質(zhì)顆粒的體積是保持不變的，但是電極之間的空隙體積會持續(xù)的降低。在壓實過程中正極活性物質(zhì)顆粒形貌無明顯改變，而石墨負(fù)極在碾壓過程中碾壓比例較高時活性物質(zhì)顆粒從球形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形。
在不同的碾壓比例下正極和負(fù)極孔隙率的變化如下圖所示，正極和負(fù)極電極在未碾壓是孔隙率約為40%，當(dāng)壓實密度提高時，電極密度下降很快，當(dāng)電極的碾壓厚度達(dá)到40%以后，電極的孔隙率就可以認(rèn)為不存在了。但是LBM模型預(yù)測值卻要明顯高于0，這主要是因為LBM模型是一個二維模型，在二維模型中，活性物質(zhì)顆粒之間會發(fā)生重疊，這也是該模型失真的地方。由于碾壓后正極材料無明顯變形，負(fù)極則發(fā)生了塑性形變，所以在相同的壓實密度下正極的孔隙率要高于負(fù)極。
電解液在電極的浸潤過程過程可以分為:
1、首先電解液開始進(jìn)入電極
2、電解液沿著電極和隔膜進(jìn)行擴(kuò)散
3、電解液沿隔膜擴(kuò)散速度較快，電解液再從隔膜向電極內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散
