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锂电池在制作过程中,压实密度对电池性能有较大的影响。一般来说压实密度与极片比容量,效率,内阻,以及电池循环性能有密切的关系,找出最 佳压实密度对电池设计非常重要。
一般来说,在材料允许的压实范围内,极片压实密度越大,电池的容量就能做的越高,所以压实密度也被看做材料能量密度的参考指标之一。但是一味的追求高压实,不但替身不了电池的比容量,还会严重降低电池比容量和循环性能。
压实密度越大,材料颗粒之间的挤压程度会越大,极片的孔隙度就会越小,极片的吸收电解液的性能就会越差,电解液越难以浸润,那么直接的后果就的材料的比容量发挥较低,电池的保液能力较差,电池循环过程中极化就大,衰减就会较大,内阻增加也尤为明显。
因此合适的正极压实密度可以增大电池的放电容量,减小内阻,减小极化损失,延长电池的循环寿命,提高锂离子电池的利用率。在压实密度过大或过小时,不利于锂离子的嵌入嵌出。那么影响正极极片压实密度的主要因素有哪些呢?
目前几种商业厂家的正极材料的真密度和目前所能达到的压实密度见表(表中所选三元材料为NCM111),可以看出,几种材料的真密度:钴酸锂>三元材料>锰酸锂>磷酸铁锂,这和压实密度的规律一致。需要指出的是,不同组分三元材料的真密度随组分的变化而变化。
表:几种商业正极材料的真密度和压实密度范围
三元材料和钴酸锂的真密度差别并不大,从上表可以看出,NCM111和钴酸锂的真密度只差0.3g·cm-3,压实密度却比钴酸锂低0.5g·cm-3,甚至更高,导致这个结果的原因很多,但最主要的原因是钴酸锂和三元材料的形貌差别。
目前商业化的钴酸锂是一次颗粒,单晶很大,三元材料则为细小单晶的二次团聚体,如图所示。从图中可看出,几百nm的一次颗粒团聚成的三元材料二次球,本身就有很多空隙;而制备成极片后,球和球之间也会有大量的空隙。以上原因使三元材料的压实密度进一步降低。
钴酸锂和三元材料SEM图
等径球在堆积时,球体和球体之间会有大量的空隙,若没有合适的小粒径球来填补这些空隙,堆积密度就会很低。所以合适的粒度分布能提高材料的压实密度,而不合理的粒度分布则造成压实密度显著降低。
表:常见导电剂和黏结剂的真密度
材料的真密度对压实密度的影响是无法改变的,但从压实密度和真密度的对比中可以看出,三元材料的压实密度还有很大的提升空间。