大香蕉日日夜夜69,日本三级a免嫩在线观看视频,av高清无码在线播放

極片層數(shù)對鋰離子電池性能的影響

嘉峪檢測網(wǎng) 2024-07-26 09:35

鋰離子電池常用的制作方式主要有兩種：卷繞和疊片。兩種方式均應根據(jù)對電池的要求，設計需要的極片層數(shù)?？蛻粢话憬o定電池的外形尺寸及容量要求，極片尺寸也會根據(jù)外形尺寸基本確定，但層數(shù)可通過涂覆量來調整。研究表明，涂覆量越高，電池的比能量越高。

本文作者通過固定電池的尺寸及容量，采用卷繞方式，分別制作15層和17層極片兩種結構的電池，研究極片層數(shù)對電池性能的影響，以期為實際設計生產(chǎn)提供一定的參考。

1、實驗

1. 1 電池設計

實驗的研究對象為聚合物軟包裝鋰離子電池，尺寸為4.5mm×65.0 mm×89.0 mm，額定容量5000mAh，最大充電電壓4.45V。設計方案：A組15層極片，B組17層極片。

面密度的計算。根據(jù)電池的設計容量C及比容量C0，計算固定容量要求的電池所需活性物質的質量m：

根據(jù)極片面積S，計算單面活性物質的面密度ρ。

極片的層數(shù)決定極片的面積。為保持兩種設計電池的容量一致，17層極片的面密度需要低于15層極片。

極片厚度的計算：

式(3)中：T為電池厚度；N為極片層數(shù)；Ta為正極厚度；Tc為負極厚度；Ts為隔膜厚度。

要保證電池設計厚度一致，17層極片的正、負極厚度均要小于15層極片，17層極片的壓實密度也應更大。

通過設計模擬,實驗電池的設計信息如表1所示。

1. 2 電池制備

將鈷酸鋰LiCoO2、聚偏氟乙烯PVDF和碳納米管CNT按質量比98.5∶1.0∶0.5混勻，加入N-甲基吡咯烷酮NMP，制成漿料，均勻涂覆在10μm厚的鋁箔上，在115℃下烘烤60s，輥壓、分切成設計所需正極片。

將羧甲基纖維素鈉CMC和去離子水混合均勻，制成CMC膠液。將石墨、導電炭黑、CMC膠液和丁苯橡膠SBR按質量比96.8∶0.5∶1.3∶1.4混勻，制成漿料，均勻涂覆在6μm厚的銅箔上，在105℃下烘烤60s，輥壓、分切成設計所需負極片。

將正、負極片及聚乙烯(PE)隔膜以卷繞的方式制成卷芯，在95℃下烘烤6h后，注入1mol/L LiPF6/EC+PC+PP(質量比2∶2∶6) 電解液，然后在5V12A128CH聚合物電池夾具化成機上化成、封裝，制成實驗用鋰離子電池。化成步驟為：以0.20C恒流充電5min，然后以0.30C恒流充電10min，再以0.70C恒流充電75min。

1. 3 性能測試

采用CT3002K型電池測試系統(tǒng)對電池進行充放電。標準充放電制度為：1.20C恒流充電至4.30V，轉恒壓充電至0.80C；0.80C恒流充電至4.45V，轉恒壓充電至0.05C，即為充滿電；1.00 C恒流放電至3.00V。

采用BH3電子天平稱量電池的質量；采用HIOKI-3561多用表測定電池的電壓和內阻；采用ATMPPG200-1000 PPG高精度測厚儀測量電池的厚度；采用1010E/5000P電化學工作站對電池進行電化學阻抗譜(EIS)分析。

熱濫用測試：采用標準充電方式充滿電，滿電電池放置在鼓風烘箱中，以(5±2)℃/min的速率升溫至130℃。電池在該環(huán)境下放置1h，監(jiān)控表面溫度、電壓。要求不起火、不爆炸，無其他安全事故。

過充測試：采用標準放電方式完全放電，以3.00C電流恒流充電至4.66V，轉恒壓充電至0.01C，監(jiān)控溫度、電壓及電流。要求不起火、不爆炸。

高溫外部短路：采用標準充電方式充滿電。將電池放置在(55±2)℃的烤箱中，溫度穩(wěn)定30~45min后，進行短路，外接總電阻為(80±20)mΩ。要求不起火、不爆炸。

高低溫放電：在23℃下，測試電池標準容量C1，以標準充電方式充滿電，分別在-10℃和60℃的環(huán)境下擱置2h，1.00C放電至3.00V，記錄放電容量C2。

式(4)中：Rdis為放電率。

倍率測試：在室溫下采用標準充電方式充滿電，分別以0.20C、0.50C和1.00C放電至3.00V，并記錄放電容量。

循環(huán)測試：分別在(23±2)℃以及(45±2)℃的環(huán)境下進行標準充放電。充、放電之間間隔5min，首次及每項實驗均使用3只電池進行平行測試。每100次循環(huán)，以0.20C放電，測定一次容量。

2、結果與討論

2. 1 質量差異

15層和17層極片設計，正負極料、正負極耳、保護膠帶、鋁塑膜質量均一致，質量差異主要在于正負極箔材、隔膜和電解液。

15層和17層極片設計主要的質量差異見表2。

從表2可知，15層、17層極片電池的設計質量分別為64.690g、65.647g，質量差為0.957g，其中負極、正極和隔膜的質量差分別為0.566g、0.278g和0.164g。層數(shù)增加導致用量增加，因此，這3項指標，17層極片電池的質量更大。17層極片電池的保液量相比15層極片電池略低，主要是因為負極壓實密度提升，電池的吸液能力下降。

2. 2 內阻差異

兩種設計電池的EIS見圖1。從圖1可知，15層極片電池的固體電解質相界面(SEI)膜阻抗(RSEI)及電極極化阻抗(Rct)明顯比17層極片電池大。15層極片電池因箔材層數(shù)減少，SEI膜的面積也較小，化成電流及時間一定時，單位面積所形成的SEI膜更厚，因

此RSEI更大。15層極片電池的涂覆量較高，Li+傳遞的距離更長，因此Rct更大。

兩種設計電池的直流內阻(DCIR)見圖2。從圖2可知，17層極片電池的DCIR小于15層極片電池，主要原因是極片的面密度較大?？傮w來講，17層極片電池的動力學性能更好。

2. 3 安全影響

兩種設計電池的安全測試結果見圖3。從圖3可知，15層、17層極片電池的表面最高溫度，在熱濫用測試時分別為134.1℃、131.7℃，降低了2.4℃；在過充測試時分別為105.6℃、91.2℃，降低了14.4℃；在高溫外部短路測試時分別為116.7℃、110.0℃，降低了6.7℃。17層極片電池的極片面積更大，散熱性能更好，電池溫升小，熱失效概率低，因此，增加層數(shù)可改善電池的安全性能。

2. 4 高低溫性能

兩種設計電池的低溫(-10℃)和高溫(60℃)1.00C放電性能見表3。從表3可知，15層、17層極片電池的高溫放電率均值分別為104.12%、105.06%，低溫放電率均值分別為72.64%、67.22%。17層極片電池的高溫性能提升了0.94%，低溫性能降低了5.42%。這是由于15層極片電池的極片面密度大，低溫下的1.00C放電產(chǎn)熱比17層極片電池多。

2. 5 倍率性能

兩種設計電池的充電時間見表4，倍率性能見圖4。從表4、圖4可知，17層極片電池的充電時間及倍率性能有一定的優(yōu)勢。15層、17層極片電池以0.50C放電的容量分別為0.20C時的97.5%、97.7%；以1.00C放電的容量分別為0.20C時的93.6%、94.9%。

厲運杰等認為，極片會影響鋰離子電池的內阻，極片越短，內阻越小。17層極片電池結構的面密度小，但極片更長，電池內阻也較大。這表明，在同一尺寸及容量設計的情況下，面密度對電池性能的影響大于極片長度。

2. 6 循環(huán)性能

兩種設計電池的循環(huán)性能見圖5。從圖5可知，兩種電池在循環(huán)性能方面無明顯差異，原因是正負極壓實密度均在材料的可承受范圍內。

圖 5 兩種設計電池的循環(huán)性能

2. 7 制造良率

17層極片電池因為箔材、隔膜更多，需要提升極片的壓實密度，才能保持與15層極片電池一致的總厚度。將壓實密度從1.68g/cm2提升至1.73g/cm2，會提高對負極的制造要求。隨著負極壓實密度增大，電池的保液量將下降(見表2)，說明 17層極片電池的制造難度高于15層極片電池。

3、結論

層數(shù)越多，鋰離子電池的質量越大，比能量越小，主要是正負極箔材、隔膜以及電解液質量的變化所致，其中負極箔材的影響最大。

層數(shù)越多，電池的內阻越小，17層極片電池的動力學性能有所提升。高層數(shù)設計對于電池的安全性能有明顯的改善，與15層極片電池相比，17層極片電池的高溫外部短路最高溫度可降低6.7℃，過充最高溫度可降低14.4℃，熱濫用最高溫度可降低2.4℃。層數(shù)對電池的高低溫放電性能有明顯的影響，層數(shù)越多，電池的低溫放電性能越差，高溫性能越好，與15層極片電池相比，17層極片電池的低溫性能下降5.42%，高溫性能提升0.94%。兩種層數(shù)設計電池的循環(huán)性能無明顯差異，原因是設計均在材料的可承受范圍內。17層極片電池因箔材和隔膜用量增加，導致制造難度加大。

目前常用的兩種面密度各有優(yōu)劣，在設計時不必一味追求低面密度。面密度過低會導致部分性能下降，稍高的面密度可在保證性能的前提下降低電池的設計生產(chǎn)難度，產(chǎn)品開發(fā)工程師要在設計初期，根據(jù)客戶的需求進行取舍。

文獻參考：趙彥孛, 胡蝶, 劉藝琳,等. 極片層數(shù)對鋰離子電池性能的影響[J]. 電池, 2022, 52(5):4.

來源：Internet

極片層數(shù)對鋰離子電池性能的影響

相關新聞：