對於鋰離子電池而言最重要的兩個指標就是能量密度和功率密度, 能量密度指的是鋰離子電池單位體積或者重量所存儲的能量多少, 而功率密度則指的是單位重量或者體積能夠輸出的功率大小. 在動力電池上我們既希望鋰離子電池具有高的能量密度, 讓我們具有更高的續航裡程, 同時我們也希望動力電池具有更高的功率密度, 滿足我們在激烈駕駛時的動力輸出. 但是在鋰離子電池的設計和生產中這兩個指標恰恰是相互矛盾的, 一般而言為了提高能量密度我們需要提高電極的塗布量, 提高活性物質的比例, 這就導致了功率性能的下降, 而為了提升功率密度我們則需要降低塗布量, 增加導電劑的比例, 因此如何能在兩者之間達到一個平衡就變得非常困難.
近日, 日本東京農工大學的KazuakiKisu (第一作者) 和Etsuro Iwama (通訊作者) , Katsuhiko Naoi (通訊作者) 分析了鋰離子電池生產中的重要指標——壓實密度和電極厚度對鋰離子電池功率性能的影響, 分析表明對於NCM材料而言, 在電極厚度為70um, 壓實密度為2.9g/cm3時能夠獲得最小的電極阻抗值, 從而在保證較高的能量密度的同時, 保證電池優異的倍率性能.
試驗中為了消除參比電極對測試結果的影響, Kazuaki Kisu採用了對稱式電池結構 (如上圖a所示) , 也就是正負兩個電極是同樣的電極, 通過在兩個電極中間插入金屬Li電極的方式對兩個電極的SoC進行調整, 隨後金屬Li電極在乾燥環境中被移除, 然後對該電池進行交流阻抗測試.
上圖b為0%SoC狀態下的EIS測試結果, 其中我們能夠在高頻區看到一條斜率為45度的線, 代表的為Li+在電極內的擴散阻抗, 上圖c為Li+的擴散阻抗與電極厚度之間的關係, 從圖中能夠看到Li+的擴散阻抗Rion與電極厚度之間呈現線性相關的關係. 上圖d為50%SoC電極的EIS圖譜, 其中高頻區的半圓代表電極的電荷交換阻抗RCT, 從圖中我們能夠注意到電荷交換阻抗與電極的厚度呈現負相關的關係, 也就是電極厚度越厚, 則電荷交換阻抗越小.
壓實密度是鋰離子電池生產中的重要的參數, 為了提升能量密度我們一般希望將壓實密度儘可能的提高, 上圖展示了在控制厚度不變的情況下, 2.7, 2.9和3.4g/ cm3的壓實密度下電極內部微孔尺寸的變化, 從圖中能夠看到隨著壓實密度的逐漸提高, 電極內部微孔的尺寸也在逐漸的降低.
Kazuaki Kisu對電極內的微孔直徑與壓實密度之間的關係進行了推導, 得出了電極微孔半徑與壓實密度之間的關係, 如下所示.
根據Rion與電極厚度和微孔數量之間的關係, 我們可以進一步的推導出Rion與電極壓實密度之間的關係, 如下所示, 從中能夠看到Rion與壓實密度之間並不是簡單的線性關係, 而是當壓實密度接近活性物質的真密度時會導致Rion急劇增加.
下圖為不同壓實密度電極的EIS測試結果, 從下圖b中能夠看到, 在壓實密度達到3.0g/ cm3之前, Rion與壓實密度之間的關聯性比較弱, 隨著壓實密度的升高, Rion僅有輕微的增加, 但是在壓實密度超過3.g/cm3後, Rion迅速增加, 這與我們前面預測的相一致. 從下圖c的電荷交換阻抗RCT來看, 隨著壓實密度的增加電荷交換阻抗實際上是有一定程度上的降低, Kazuaki Kisu認為這主要是因為在厚度不變的情況下較高壓實密度意味著單位面積上的塗布量的增加, 從而導致活性物質與電解液的接觸面積增加, 造成電荷交換阻抗RCT下降.
Kazuaki Kisu認為鋰離子電池的壓實密度往往是造成鋰離子電池阻抗增加的重要因素, 因為在較低的壓實密度下往往會造成活性物質顆粒之間, 活性物質和正極Al箔之間的接觸阻抗增加, 下圖為根據EIS測試結果得到的不同壓實密度下電極的接觸阻抗與電極壓實密度之間的關係, 從測試結果來看隨著壓實密度的逐漸提高, 電極的接觸阻抗Rcon迅速降低.
根據上述的實驗數據和公式, Kazuaki Kisu得到了電極的總阻抗與電極厚度和壓實密度之間的關係 (如下圖所示) , 在下圖a中X軸為電極厚度, Y軸為電極壓實密度, 圖中的顏色代表的為電極的總阻抗, 藍色代表低阻抗, 紅色代表高阻抗. 從圖中我們能夠看到在電極厚度為70um, 壓實密度為2.9g/cm3附近時我們能夠獲得最低的電極阻抗 (包括Rion, RCT和Rcon) , 這一點我們也能夠從下圖b和c中看到, 在壓實密度過高或者多低的時候都會導致電池內阻和極化的增加.
Kazuaki Kisu工作讓我們對壓實密度和塗布厚度兩個重要的參數對電極總阻抗的影響有了深刻的認識, 特別是作者在論文最後得到的電極阻抗與壓實密度和塗布厚度之間的關係圖, 對於鋰離子電池的設計具有重要的指導意義.
