锂离子电池单颗粒动力学表征方法综述

传统的电池材料性能测试方法将材料制成半电池或全电池,并根据电池性能(如能量密度、倍率性能、体积形变等)反推材料性能,如实际克容量、平衡电势、扩散系数、离子/电子电导、交换电流密度、体积膨胀率等。该方法存在以下两方面问题:第一,误差显著:电池含有多种材料,单体性能测试结果受到不同材料各自热/动力学过程的混合影响,不能反映单一材料性能;第二,浪费巨大:电池单体容量远超单个粉体颗粒容量,以单体为对象进行材料性能测试将浪费大量物料、电能、时间。综合比较不同尺度电池研究对象后,本工作认为直接对单个颗粒开展电化学测试既剥离了电极中非活性物质及孔隙的影响,又保留了材料缺陷、微观结构等特性,是目前表征材料动力学性能的理想方案。本工作围绕锂离子电池单颗粒动力学表征方法,梳理了单颗粒尺度测试技术,并在测试体系、测试对象、对象可选择性、嵌锂态控制、外部应力等方面综合比较了各种方法。基于此,从材料性能表征与材料参数获取两方面论述了基于接触式单颗粒微电极和连接式单颗粒微电极的动力学表征方法。最后,综述了单颗粒动力学表征方法与其他材料表征方法的联用案例以及发展方向。

锂离子电池电极结构参数对单体能量与功率的影响

以模型化仿真技术为基础的电池正向设计方法可替代大量制样、实验选优的试错方法,从而显著缩短产品研发周期、降低物料与能源的成本消耗、提高产品创新能力。本文基于热-电化学耦合的三维跨尺度模型,在单体尺寸与容量不变的约束条件下探究了电极结构参数如电极涂层厚度、孔隙率等对单体主要性能参数如功率、能量、单位质量与体积比功率、单位质量与体积比能量的影响,并基于过电压分解方法揭示了其影响机理。结果表明,电池电极结构参数对电池多类性能存在不同的影响趋势,应重点权衡以下设计关系:第一,厚涂、少孔的电极结构提高了电池能量,但由于增大了液相传输阻力,使得电池功率降低;第二,薄涂、多孔的电极结构提高了电池功率,但由于可能增加电池总质量,反而诱发单位质量比功率下降;第三,薄涂、多孔设计方案对于功率性能改善的效用逐步递减,到达一定临界值后,其对液相传输的改善效用几乎消失,不再是设计改进的主要方向。