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定量优化锂电池极片微观结构解析

第一电动 mikoWoo 中字

电动汽车长续航里程对动力电池提出了更高的能量密度要求,市场和基础设施情况同时又要求动力电池具有良好的倍率特性,而这两者是相互矛盾的。如何在较高的能量密度下实现电池良好的倍率特性,这需要从微观上理解电池极片的机理,从下至上优化电池设计。

锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料,主要由三部分组成:(1)活性物质颗粒(act);(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相,sub);(3)孔隙,填满电解液。因此,对于电极片涂层,各相的体积关系由式(1)表示:

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析(1)

其中,ε为孔隙率,

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

为活物质体积分数,

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

为碳胶相体积分数。

而电池的倍率特性主要与极片中电子、离子的传导特性密切相关,宏观的多孔电极理论中,锂离子、电子的有效电导率可由式(2)、式(3)计算:

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析(2)

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析(3)

其中,

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 锂离子的有效电导率;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 电子的有效电导率;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 电解液中锂离子的电导率;

 ε 极片涂层中的孔隙率;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 孔隙迂曲度,连同孔隙的曲线通道长度与宏观入口-出口直线距离比值的平方;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 活物质体积分数;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 活物质颗粒相的迂曲度;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 电子在活物质材料中的电导率;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 碳胶相体积分数;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 碳胶相的迂曲度;

如何在高能量密度下实现倍率特性?定量优化锂电池极片微观结构解析

 电子在碳胶相中的电导率;

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