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。

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。

3类锂离子电池多孔电极模型比较研究及电池正向设计应用

锂离子电池的电极由活性物质、黏结剂、导电剂等多种固相材料及灌注其孔隙间的液态电解质组成。通过优化电极的微观多孔结构可提高电池内部锂离子与电子两类主要载流子的有效传输速率,从而有效提升电池能量密度、功率密度。基于多孔电极模型的正向设计方法正逐渐取代传统的试错方法被广泛应用于产业界,但以往的模型难以在计算量与性能预测精度上取得平衡。该文提出了扩展均相多孔电极模型,该模型可以有效地在计算负荷与性能预测精度上实现较好的平衡。比较了3类锂离子电池多孔电极模型——经典准二维均相模型、作者团队开发的非均相模型、该文提出的扩展均相多孔电极模型在计算时间以及电极结构描述精度上的差异,并就不同研发场景下的模型选择给出了具体建议。利用扩展均相多孔电极模型分析了一例电池正向设计的典型问题,即负极活性颗粒粒径选择及其对电池性能的影响,结果发现:提高负极颗粒粒径分布集中度、降低颗粒粒径大小可有效改善电池内部离子在电解液以及活性颗粒内部的有效传输速率,可使得电池在不同倍率条件下的放电容量提升25%(低倍率)至100%(高倍率)。

全固态薄膜锂电池倍率性能

全固态薄膜锂电池具有固态电解质层薄、固固界面致密等特点,可作为微小型设备的储能元件。与传统锂离子电池相比,全固态薄膜锂电池内部不含液态电解液,反应与传质过程皆在固相中进行,导致全固态薄膜锂电池的倍率性能一般较差。为解决该问题,该文基于磁控溅射和真空蒸镀技术制备了正极为钴酸锂、固态电解质为锂磷氧氮(LiPON)、负极为金属锂(Li)的全固态薄膜锂电池。采用时频域配合和实验与仿真相结合的方法,系统解析了影响全电池倍率性能的关键因素。运用基于全电池倍率实验电压曲线的曲线平移分析方法及基于一维阻抗模型和阻抗谱的动力学参数辨识方法,分析了电池内部不同部件、不同物理过程对电池倍率性能的影响,结合一维时域模型仿真结果得出如下结论:电池中影响大倍率下放电总容量的主要限制因素为正极材料中的锂离子扩散过程,放电末期正极扩散系数低是大倍率下放电容量衰减的主因;影响瞬态放电功率的主要限制因素为固态电解质中锂离子的电迁移过程,高固态电解质固相过电势是放电功率损失的主因。基于上述结论,该文提出了适当降低固态电解质薄膜厚度和缩短正极离子扩散路径等改进电池倍率性能的初步设计思路,研究了一种全固态薄膜锂电池倍率性能的分析方法并得出了初步结论,可用于进一步指导改进制备工艺。