对于锂离子电池而言最重要的两个指标就是能量密度和功率密度, 能量密度指的是锂离子电池单位体积或者重量所存储的能量多少, 而功率密度则指的是单位重量或者体积能够输出的功率大小. 在动力电池上我们既希望锂离子电池具有高的能量密度, 让我们具有更高的续航里程, 同时我们也希望动力电池具有更高的功率密度, 满足我们在激烈驾驶时的动力输出. 但是在锂离子电池的设计和生产中这两个指标恰恰是相互矛盾的, 一般而言为了提高能量密度我们需要提高电极的涂布量, 提高活性物质的比例, 这就导致了功率性能的下降, 而为了提升功率密度我们则需要降低涂布量, 增加导电剂的比例, 因此如何能在两者之间达到一个平衡就变得非常困难.
近日, 日本东京农工大学的KazuakiKisu (第一作者) 和Etsuro Iwama (通讯作者) , Katsuhiko Naoi (通讯作者) 分析了锂离子电池生产中的重要指标——压实密度和电极厚度对锂离子电池功率性能的影响, 分析表明对于NCM材料而言, 在电极厚度为70um, 压实密度为2.9g/cm3时能够获得最小的电极阻抗值, 从而在保证较高的能量密度的同时, 保证电池优异的倍率性能.
试验中为了消除参比电极对测试结果的影响, Kazuaki Kisu采用了对称式电池结构 (如上图a所示) , 也就是正负两个电极是同样的电极, 通过在两个电极中间插入金属Li电极的方式对两个电极的SoC进行调整, 随后金属Li电极在干燥环境中被移除, 然后对该电池进行交流阻抗测试.
上图b为0%SoC状态下的EIS测试结果, 其中我们能够在高频区看到一条斜率为45度的线, 代表的为Li+在电极内的扩散阻抗, 上图c为Li+的扩散阻抗与电极厚度之间的关系, 从图中能够看到Li+的扩散阻抗Rion与电极厚度之间呈现线性相关的关系. 上图d为50%SoC电极的EIS图谱, 其中高频区的半圆代表电极的电荷交换阻抗RCT, 从图中我们能够注意到电荷交换阻抗与电极的厚度呈现负相关的关系, 也就是电极厚度越厚, 则电荷交换阻抗越小.
压实密度是锂离子电池生产中的重要的参数, 为了提升能量密度我们一般希望将压实密度尽可能的提高, 上图展示了在控制厚度不变的情况下, 2.7, 2.9和3.4g/ cm3的压实密度下电极内部微孔尺寸的变化, 从图中能够看到随着压实密度的逐渐提高, 电极内部微孔的尺寸也在逐渐的降低.
Kazuaki Kisu对电极内的微孔直径与压实密度之间的关系进行了推导, 得出了电极微孔半径与压实密度之间的关系, 如下所示.
根据Rion与电极厚度和微孔数量之间的关系, 我们可以进一步的推导出Rion与电极压实密度之间的关系, 如下所示, 从中能够看到Rion与压实密度之间并不是简单的线性关系, 而是当压实密度接近活性物质的真密度时会导致Rion急剧增加.
下图为不同压实密度电极的EIS测试结果, 从下图b中能够看到, 在压实密度达到3.0g/ cm3之前, Rion与压实密度之间的关联性比较弱, 随着压实密度的升高, Rion仅有轻微的增加, 但是在压实密度超过3.g/cm3后, Rion迅速增加, 这与我们前面预测的相一致. 从下图c的电荷交换阻抗RCT来看, 随着压实密度的增加电荷交换阻抗实际上是有一定程度上的降低, Kazuaki Kisu认为这主要是因为在厚度不变的情况下较高压实密度意味着单位面积上的涂布量的增加, 从而导致活性物质与电解液的接触面积增加, 造成电荷交换阻抗RCT下降.
Kazuaki Kisu认为锂离子电池的压实密度往往是造成锂离子电池阻抗增加的重要因素, 因为在较低的压实密度下往往会造成活性物质颗粒之间, 活性物质和正极Al箔之间的接触阻抗增加, 下图为根据EIS测试结果得到的不同压实密度下电极的接触阻抗与电极压实密度之间的关系, 从测试结果来看随着压实密度的逐渐提高, 电极的接触阻抗Rcon迅速降低.
根据上述的实验数据和公式, Kazuaki Kisu得到了电极的总阻抗与电极厚度和压实密度之间的关系 (如下图所示) , 在下图a中X轴为电极厚度, Y轴为电极压实密度, 图中的颜色代表的为电极的总阻抗, 蓝色代表低阻抗, 红色代表高阻抗. 从图中我们能够看到在电极厚度为70um, 压实密度为2.9g/cm3附近时我们能够获得最低的电极阻抗 (包括Rion, RCT和Rcon) , 这一点我们也能够从下图b和c中看到, 在压实密度过高或者多低的时候都会导致电池内阻和极化的增加.
Kazuaki Kisu工作让我们对压实密度和涂布厚度两个重要的参数对电极总阻抗的影响有了深刻的认识, 特别是作者在论文最后得到的电极阻抗与压实密度和涂布厚度之间的关系图, 对于锂离子电池的设计具有重要的指导意义.
