密度對鋰電池的性能的影響有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-14 13:02
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研究發(fā)現(xiàn)，除了鋰離子電池電極活性物質(zhì)的固有屬性，電極的微觀結(jié)構(gòu)對電池的能量密度和電化學(xué)性能也有十分重大的影響。
在未經(jīng)碾壓的電極中，僅有50%的空間被活性物質(zhì)所占據(jù)，提高壓實密度，可以有效的提高電極的體積能量密度和重量能量密度，但是這也會影響電極結(jié)構(gòu)，例如孔隙率、比表面積、孔徑分布和彎曲度等，同時也會影響電極中粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的分布，這會對鋰離子電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。
美國的印第安那波利斯普渡大學(xué)的Cheolwoong Lim等利用了目前最先進(jìn)的X射線納米斷層掃描技術(shù)(nano-CT)研究了LiCoO2電極壓實密度對電極電極結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。
首先Cheolwoong Lim利用相同的工藝制備了多片LiCoO2極片，并將其碾壓至不同厚度，他們首先利用同步傳輸X射線顯微鏡(XMT)重建了不同極片的孔隙結(jié)構(gòu)，然后極片會制成扣式電池用于測試極片的電化學(xué)性能。
電極漿料配比為活性物質(zhì)，粘結(jié)劑和炭黑94：3：3，在NMP中分散，然后涂布于鋁箔上，涂布厚度從40μm到80μm，最后這些電極都將被碾壓到40μm以得到不同的壓實密度，極片的壓實密度從2.2g/cm3到3.6g/cm3。
通過nano-CT技術(shù)檢測極片發(fā)現(xiàn)，隨著壓實密度的上升，碳和粘結(jié)劑的體積密度會上升，孔隙率會下降，比表面積上升，彎曲度上升，接觸電阻下降，電極電解液界面膜SEI阻抗會降低，電荷交換阻抗下降。
從XMT的測試結(jié)果可以看到，隨著壓實密度從2.2g/cm3提升到3.6g/cm3，電極的孔隙率會從50%左右下降到了30%左右。
與傳統(tǒng)的觀點不同，Cheolwoong Lim的研究發(fā)現(xiàn)壓實密度的上升可以使得材料的放電比容量更高，倍率性能更好，容量保持率也更高，也能夠提高鋰離子電池的放電電壓。
研究表明，即使壓實密度達(dá)到3.6g/cm3，在4C的放電倍率下，鋰離子擴散依速率然不是限制因素，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙率低于75%時，鋰離子擴散速率并不是鋰離子電池的倍率性能的限制因素。
較低的壓實密度反而會造成放電比容量低的問題，這主要是較高的孔隙率造成部分顆粒形成絕緣狀態(tài)，無法參與充放電，而高壓實密度的電極有更高的斷裂強度，從而避免在循環(huán)過程中電極顆粒脫落，形成絕緣狀態(tài)顆粒。
高的壓實密度可以明顯使電極的孔徑和孔隙的分布更加均勻，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑分布更加均勻，降低電極的接觸電阻和電荷交換阻抗，增大能夠參與反應(yīng)的活性面積，從而顯著的提高材料的電化學(xué)性能。
對于電極孔隙曲折度的分析和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電極活性界面面積的提高對鋰離子電池倍率貢獻(xiàn)要明顯大于Li+在電解液中的擴散。因此，提高壓實密度并不會降低鋰離子電池的倍率性能，反而能夠在提高電池容量的同時，進(jìn)一步提高容量保持率和倍率性能。
電極漿料配比為活性物質(zhì)，粘結(jié)劑和炭黑94：3：3，在NMP中分散，然后涂布于鋁箔上，涂布厚度從40μm到80μm，最后這些電極都將被碾壓到40μm以得到不同的壓實密度，極片的壓實密度從2.2g/cm3到3.6g/cm3。
通過nano-CT技術(shù)檢測極片發(fā)現(xiàn)，隨著壓實密度的上升，碳和粘結(jié)劑的體積密度會上升，孔隙率會下降，比表面積上升，彎曲度上升，接觸電阻下降，電極電解液界面膜SEI阻抗會降低，電荷交換阻抗下降。
