锂电池的极片设计有什么基础知识？

锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池，具有许多长处，广泛应用于储能、电动汽车、便携式电子产品等领域。电极极片是锂离子动力电池的根底，直接决定电池的电化学功能以及安全性。

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，均匀的涂敷在金属集流体上。锂离子电池极片涂层可当作一种复合资料，如图1所示，首要由三部分组成：(1)活性物质颗粒；(2)导电剂和黏结剂彼此混合的组成相(碳胶相)；(3)孔隙，填满电解液。各相的体积联系表明为：孔隙率+活物质体积分数+碳胶相体积分数=1(1)

图1极片微观结构示意图

锂电池极片的规划是非常重要的，现针对锂电池极片规划根底知识进行简略介绍。

(1)电极资料的理论容量

电极资料理论容量，即假定材猜中锂离子悉数参加电化学反应所能够供给的容量，其值经过下式核算：

其间，法拉第常数(F)代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol，它是阿伏伽德罗数NA=6.02214×1023mol-1与元电荷e=1.602176×10-19C的积，其值为96485.3383±0.0083C/mol。

例如，LIFePO4摩尔质量157.756g/mol，其理论容量为：

三元资料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩尔质量为96.461g/mol，其理论容量为278mAh/g

LiCoO2摩尔质量97.8698g/mol，如果锂离子悉数脱出，其理论克容量274mAh/g

石墨负极中，锂嵌入量最大时，构成锂碳层间化合物，化学式LiC6，即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066g/mol，石墨的最大理论容量为：

关于硅负极，由5Si+22Li++22e-?Li22Si5可知，5个硅的摩尔质量为140.430g/mol，5个硅原子结合22个Li，则硅负极的理论容量为：

这些核算值仅仅理论的克容量，为保证资料结构可逆，实践锂离子脱嵌系数小于1，实践的资料的克容量为：

资料实践克容量=锂离子脱嵌系数×理论容量(3)

(2)电池规划容量与极片面密度

电池规划容量可以经过式(4)核算：

电池规划容量=涂层面密度×活物质份额×活物质克容量×极片涂层面积(4)

其间，涂层的面密度是一个要害的规划参数，压实密度不变时，涂层面密度添加意味着极片厚度添加，电子传输间隔增大，电子电阻添加，可是添加程度有限。厚极片中，锂离子在电解液中的迁移阻抗添加是影响倍率特性的首要原因，考虑到孔隙率和孔隙的弯曲连同，离子在孔隙内的迁移间隔比极片厚度多出很多倍。

(3)负极-正极容量比N/P

负极容量与正极容量的比值界说为：

N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这首要是处于安全规划，防止负极侧锂离子无承受源而析出，规划时要考虑工序才能，如涂布误差。可是，N/P过大时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会下降。

而关于钛酸锂负极，选用正极过量规划，电池容量由钛酸锂负极的容量确认。正极过量规划有利于提高电池的高温功能：高温气体首要于负极，在正极过量规划时，负极电位较低，更易于在钛酸锂外表构成SEI膜。

(4)涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中，电池极片的涂层压实密度经过式(6)核算，

而考虑到极片辊压时，金属箔材存在延展，辊压后涂层的面密度经过下式(7)核算。

前面说到，涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成，孔隙率可由式(8)核算。

其间，涂层的平均密度为：

锂电池电极是一种粉体颗粒组成的涂层，因为粉体颗粒外表粗糙，形状不规则，在堆积时，颗粒与颗粒间必有孔隙，而且有些颗粒自身又有裂缝和孔隙，所以粉体的体积包含粉体自身的体积、粉体颗粒间的孔隙隙和颗粒内部的孔隙，因而，相应的有多种电极涂层密度及孔隙率的表明法。

粉体颗粒的密度是指单位体积粉体的质量。根据粉体所指的体积不同，分为真密度、颗粒密度、堆积密度三种。各种密度界说如下：

a.真密度指粉体质量除以不包含颗粒表里空地的体积(真实体积)，求得的密度。即扫除一切的空地占有的体积后，求得的物质自身的密度。

b.颗粒密度指粉体质量除以包含开口细孔与封闭细孔在内的颗粒体积，求得的密度。即扫除颗粒之间的空地，但不扫除颗粒内部自身的细小孔隙，求得的颗粒自身的密度。

c.堆积密度，即涂层密度，指粉体质量除以该粉体所组成涂层的体积，求得的密度。其所用的体积包含颗粒自身的孔隙以及颗粒之间空地在内的总体积。

关于同一种粉体，真密度>颗粒密度>堆积密度。

粉体的孔隙率是粉体颗粒涂层中孔隙所占的比率，即粉体颗粒间空地和颗粒自身孔隙所占体积与涂层总体积之比，常用百分率表明。粉体的孔隙率是与粒子形态、外表状态、粒子巨细及粒度散布等要素有关的一种综合性质，其孔隙率的巨细直接影响着电解液的浸润和锂离子传输。一般来说，孔隙率越大，电解液浸润简单，锂离子传输较快。所以在锂电池规划中，有时要测定孔隙率，常用压汞法、气体吸附法等进行测定。也可经过密度核算求得。当选用不同的密度进行核算时，孔隙率意义也不同。

当活物质、导电剂、粘结剂的密度都选用真密度核算孔隙率时，所核算的孔隙率包含颗粒之间的空地、颗粒内部空地。当活物质、导电剂、粘结剂的密度都选用颗粒密度核算孔隙率时，所核算的孔隙率包含颗粒之间的空地、而不包含颗粒内部空地。因而，锂电池极片的孔隙尺度也是多标准的，一般地颗粒之间的空地在微米级尺度，而颗粒内部空地在纳米到亚微米级。

在多孔电极中，有用扩散率、传导率等输运物性的联系可用下式表明：

其间，D0表明资料自身固有扩散(传导)率，ε为相应相的体积分数，τ为相应物相的迂曲率。在宏观均质模型中，一般选用Bruggeman联系式，取系数ɑ=1.5来估量多孔电极的有用物性。

电解液填充在多孔电极的孔隙中，锂离子在孔隙内经过电解液传导，锂离子的传导特性与孔隙率密切相关。孔隙率越大，相当于电解液相体积分数越高，锂离子有用电导率越大。而正极极片中，电子经过碳胶相传输，碳胶相的体积分数，碳胶相的迂曲度又直接决定电子有用电导率。孔隙率和碳胶相的体积分数是彼此矛盾的，孔隙率大必定导致碳胶相体积分数下降，因而，锂离子和电子的有用传导特性也是彼此矛盾的，如图2所示。随着孔隙率下降，锂离子有用电导率下降，而电子有用电导率升高。电极规划中，怎么平衡两者也很要害。

图2电子和锂离子有用电导率与孔隙率的联系