一、電極極片厚度變化

 

石墨負(fù)極膨脹影響因素及機(jī)理討論

 

鋰離子電池在充電過(guò)程中電芯厚度增加主要?dú)w結(jié)為負(fù)極的膨脹，正極膨脹率僅為2~4%負(fù)極通常由石墨、粘接劑、導(dǎo)電碳組成，其中石墨材料本身的膨脹率達(dá)到~10%，造成石墨負(fù)極膨脹率變化的主要影響因素包括：SEI膜形成、荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)、工藝參數(shù)以及其他影響因素。

 

(1)SEI膜形成鋰離子電池首次充放電過(guò)程中,電解液在石墨顆粒在固液相界面發(fā)生還原反應(yīng),形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層(SEI膜)，SEI膜的產(chǎn)生使陽(yáng)極厚度顯著增加，而且由于SEI膜產(chǎn)生，導(dǎo)致電芯厚度增加約4%。從長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程看，根據(jù)不同石墨的物理結(jié)構(gòu)和比表面，循環(huán)過(guò)程會(huì)發(fā)生SEI的溶解和新SEI生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，比如片狀石墨較球狀石墨有更大的膨脹率。

 

(2)荷電狀態(tài)電芯在循環(huán)過(guò)程中，石墨陽(yáng)極體積膨脹與電芯SOC呈很好的周期性的函數(shù)關(guān)系，即隨著鋰離子在石墨中的不斷嵌入(電芯SOC的提高)體積逐漸膨脹，當(dāng)鋰離子從石墨陽(yáng)極脫出時(shí)，電芯SOC逐漸減小，相應(yīng)石墨陽(yáng)極體積逐漸縮小。

 

(3)工藝參數(shù)從工藝參數(shù)方面看，壓實(shí)密度對(duì)石墨陽(yáng)極影響較大，極片冷壓過(guò)程中，石墨陽(yáng)極膜層中產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，這種應(yīng)力在極片后續(xù)高溫烘烤等工序很難完全釋放。電芯進(jìn)行循環(huán)充放電時(shí)，由于鋰離子的嵌入和脫出、電解液對(duì)粘接劑溶脹等多個(gè)因素共同作用，膜片應(yīng)力在循環(huán)過(guò)程得到釋放，膨脹率增大。另一方面，壓實(shí)密度大小決定了陽(yáng)極膜層空隙容量大小，膜層中孔隙容量大，可以有效吸收極片膨脹的體積，空隙容量小，當(dāng)極片膨脹時(shí)，沒(méi)有足夠的空間吸收膨脹所產(chǎn)生的體積，此時(shí)，膨脹只能向膜層外部膨脹，表現(xiàn)為陽(yáng)極片的體積膨脹。

 

(4)其他因素粘接劑的粘接強(qiáng)度(粘接劑、石墨顆粒、導(dǎo)電碳以及集流體相互間界面的粘接強(qiáng)度)，充放電倍率，粘接劑與電解液的溶脹性，石墨顆粒的形狀及其堆積密度，以及粘接劑在循環(huán)過(guò)程失效引起的極片體積增加等，均對(duì)陽(yáng)極膨脹有一定程度的影響。