分选26650锂电池不同容量的方法

Heubner等人考虑硅与石墨的混合比例、材料的体积胀大，确认了硅基多孔电极的优化规划原则。

硅作为未来负极材料的一种，其理论克容量约为4200mAh/g，比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余，其产业化后，将大大进步电池的容量。但是，现在硅材料存在的主要问题有：1、充放电时，体积胀大达300%-400%；2、不可逆容量高、库伦功率低导致实践容量损失和循环寿数差。与锂合金化后，硅晶体体积呈现明显的改动，这样的体积效应极易形成硅负极材料粉化，而且从集流体上剥离下来。而且因为硅体积效应形成的脱落状况会引起SEI的重复损坏与重建，然后加大了锂离子的消耗，毕竟影响电池的容量。现在正在通过硅粉纳米化，硅碳包覆、掺杂，粘结剂优化等手法处理以上问题。

从工程的角度来看，为了进步电池的能量密度，需求对电极或电池的总质量进行操控，电极的质量包括活性物质、填充在电极孔隙的液态电解质、粘结剂和导电添加剂以及集流体。因此，电极的能量密度取决于所用活性物质与非活性物质的质量比。进步多孔电极的能量密度的常用技术途径有：添加电极厚度（活性材料/集流体比例）和下降孔隙率（电解质/活性材料比例）。然而，因为电极内锂离子传输的局限性，电极厚度添加和孔隙率下降都会下降电池功率密度。此外，与石墨负极混合的比例会影响复合电极的容量和均匀体积胀大。因此，优化这些规划参数是开发高能高功率锂离子电池的要害。

Heubner等人考虑硅与石墨的混合比例、材料的体积胀大，确认了硅基多孔电极的优化规划原则。他们界说了“变形阈值”，因为硅负极体积胀大，电极中本来的孔隙会被填充而下降孔隙率，为了避免在充电进程中电极颗粒触摸产生剧烈的变形和应力，以及孔隙率的剧降，电极初始孔隙率的存在一个最小值。电极规划时，孔隙率必须大于此值。此外，还界说了“倍率电流阈值”，以保证受涣散束缚的电流不低于所需的倍率电流，然后避免在快速充电时容量大幅减少。再分析了这些规划原则对硅基负极功用参数的影响，并利用分析得出的原则联络式优化电极规划参数保证电极能量密度和功率密度。

1、孔隙率

锂离子电池电极的孔隙率ε0能够用式（1）表明：

（1）

Vi是电极中各固相组分的体积，包括硅（Si）、石墨（C）、粘结剂（B）和导电剂（A）。V是电极涂层的整体体积。假定SOC=0和SOC=1之间，各固相组分的体积改动是线性的，各相的胀大体积为初始值的ni倍，（硅、石墨、导电剂和粘结剂的体积胀大分别为nSi=3,nC=0.1,nA=0,nB=0），考虑这种体积胀大时，则不同的SOC状况下的电极孔隙率ε（soc）为式（2）：

（2）

假定在电池外包装壳体的束缚下电池整体的胀大被束缚在ns倍（如10%），把各固相的真密度ρi（硅、石墨、导电剂、粘结剂和电解液的密度分别为ρSi=2336,ρC=2200,ρA=2200,ρB=1800,ρCC=8920,ρel=1500）和质量百分比ωi带入，得到式（3）：

（3）

依据公式（3），关于不同初始孔隙率的电极，锂化进程中，电极孔隙率与SOC的联络如图1a所示，图1b是对应的微观结构改动示意图（假定电极整体胀大束缚在ns=10%）。跟着SOC的添加，孔隙率明显下降。当初始孔隙率在20-40%规模内（典型的商业石墨电极的孔隙率），硅基电极的孔隙率将在充电时敏捷降至零。这样的进程会引起电极内部巨大的机械应力，引起硅的损坏、电触摸失效等，然后容量衰减。在中等初始孔隙率（50-70%）的状况下，孔隙率的减少没有那么明显。但是，假如要坚持SOC=1时，电极孔隙率不降至0，初始孔隙率需求在80%以上。

图1（a）不同初始孔隙率下锂化进程中孔隙率的演化；（b）不同初始孔隙率下电极孔隙率演化示意图

图2a是不同硅含量下电极的SOC=1锂化状况下孔隙率与初始孔隙率的联络，硅含量添加会导致锂化后电极愈加细密，纯石墨电极，石墨体积胀大为10%，若电极体积改动限定在10%，锂化后孔隙率不改动。图2b是不同电极整体体积改动限定值（0%、10%、20%）下，三种不同硅含量电极的SOC=1锂化状况下孔隙率与初始孔隙率的联络，电极整体体积改动限定值越小，锂化后电极孔隙率下降更小。

图2（a）不同硅含量下电极的SOC=1锂化状况下孔隙率与初始孔隙率的联络；（b）不同整体体积改动限定值（ns）下电极的SOC=1锂化状况下孔隙率与初始孔隙率的联络

2、电解液Li分布

锂化反应中，锂离子从电解质刺进活性材料，电解液中的锂浓度在电极的孔隙中减少。在整个极片上形成浓度梯度，导致锂向负极涣散。假如电解液中的锂浓度降至零，则锂嵌入反应间断。因此，可抵达的最大电流即所谓的极限涣散电流jlim可表达为式（4），而有效涣散系数与孔隙率相关。

（4）

图3不同孔隙率下恒流充电时电解液锂浓度损耗分布示意图

图3是不同孔隙率下恒流充电时电解液锂浓度分布示意图，（a）大孔隙率下锂在电极中的传输足以使电解液中的锂浓度靠近初始值。（b）下降孔隙率，电解液中锂离子浓度逐步下降形成浓度梯度。（c）再继续下降孔隙率，电极内部的锂浓度靠近为0。（d）非常低的孔隙率时，整个电极中的锂浓度敏捷下降到零。

图4不同初始孔隙率下，锂化进程中涣散极限电流倍率的演化进程

图4是不同初始孔隙率下，锂化进程中涣散极限电流倍率的演化进程。跟着SOC的添加，倍率功用下降。例如，在初始孔隙率ε0=80%下，SOC=0时电极的受涣散束缚的最大电流为9.6C，而SOC=1约0.85C。

图5（a）不同电极厚度下和（b）不同硅含量下涣散束缚倍率与初始孔隙率联络

图5是不同电极厚度下和不同硅含量下涣散束缚倍率与初始孔隙率联络。跟着初始孔隙率添加，倍率功用进步。在必定初始孔隙率下，受涣散束缚的电流跟着电极厚度的添加而减小。特别厚或许孔隙特别小的电极一般受涣散束缚，最大充放电倍率在SOC=1时剧减。此外，添加复合材猜中的石墨含量能够明显进步电极的倍率功用。

结论：考虑到硅负极巨大的体积胀大效应，在胀大进程中会下降电极的孔隙率，添加颗粒之间的应力，然后导致粉化。因此，关于硅碳负极，电池极片规划应该比石墨负极更大的孔隙率。从理论上核算，考虑质量和体积比容量，不同的硅含量对应存在最大的比容量，此刻对应这优化的电极厚度和孔隙率，见表1。

表1不同硅含量的硅碳负极所能抵达的最大比容量及其对应最优的电极厚度和孔隙率