“充電5分鐘，通話(huà)2小時(shí)”這句廣告語(yǔ)所包含的充電機(jī)充電鋰電池面密度、壓實(shí)密度的參數(shù)設(shè)計(jì)思路
2017-9-5 10:47:34??????點(diǎn)擊：
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池是由正極活物質(zhì)、負(fù)極活物質(zhì)、隔閡、電解液、充電機(jī)充電蓄電池殼等要害資料及零部件組成的，在充電機(jī)充電新蓄電池的開(kāi)發(fā)之前，需求對(duì)充電機(jī)充電蓄電池進(jìn)行規(guī)劃。充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃也就是依據(jù)設(shè)備運(yùn)用要求，為設(shè)備規(guī)劃出符合條件的充電機(jī)充電蓄電池。在此過(guò)程中，不只要考慮作業(yè)電壓、電流、作業(yè)環(huán)境等，還要考慮充電機(jī)充電蓄電池的體積、作業(yè)時(shí)間、充電機(jī)充電蓄電池功能等。
我們?nèi)粘＿\(yùn)用手機(jī)、充電寶等產(chǎn)品時(shí)，尋求在必定體積內(nèi)充電機(jī)充電蓄電池容量越高越好。影響充電機(jī)充電蓄電池功能和容量的要素有多個(gè)，例如活物質(zhì)、電解液、隔閡、充電機(jī)充電蓄電池的結(jié)構(gòu)、極片生產(chǎn)工藝等等。今日跟我們共享的是在極片規(guī)劃中影響充電機(jī)充電蓄電池容量和功能的要害參數(shù)：面密度和壓實(shí)密度。在活物質(zhì)、電解液等資料一致的狀況下，極片的面密度和壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池有重要的影響。
1
面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池的影響
1.1面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響
“充電五分鐘，通話(huà)一小時(shí)”是我們常常聽(tīng)到的廣告，廣告涉及到的內(nèi)容其實(shí)是充電機(jī)充電蓄電池的快充功能。充電機(jī)充電蓄電池快充功能與充電機(jī)充電蓄電池極片的面密度和壓實(shí)密度密切相關(guān)，為了驗(yàn)證不同面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池快充的影響，使用鈷酸鋰為正極、石墨為負(fù)極制作了軟包充電機(jī)充電蓄電池。圖1是不同面密度極片的充電機(jī)充電蓄電池在快充（6C）條件下的循環(huán)體現(xiàn)。由圖1 可以看出，6 C 大電流充電時(shí)隨正極面密度的減小，其放電比容量顯著提升，且循環(huán)進(jìn)步。
1.2面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻的影響
充電機(jī)充電蓄電池在循環(huán)過(guò)程中，鋰離子不斷的脫嵌、嵌入，進(jìn)行搖椅式運(yùn)動(dòng)。跟著循環(huán)次數(shù)的添加，必定會(huì)有鋰離子脫嵌失利、鋰金屬分出、電解液氧化分化、產(chǎn)氣等副反響發(fā)作。一般，充電機(jī)充電蓄電池的內(nèi)阻會(huì)跟著充電機(jī)充電蓄電池運(yùn)用時(shí)間的延伸而逐步增大，即內(nèi)阻改變?cè)叫。潆姍C(jī)充電蓄電池循環(huán)壽數(shù)越長(zhǎng)。表1是不同面密度充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)必定次數(shù)后內(nèi)阻的改變狀況，這也反響了不同面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻的影響。由表1可知面密度為150 g/m2時(shí)，充電機(jī)充電蓄電池初始電阻最小，大電流充電后充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加較小；跟著面密度添加，充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻增大，在充放電循環(huán)中充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加也較大。
不同面密度極片在SEM下如圖3所示。可見(jiàn)，極片面密度越低，資料的孔隙率增大，單位質(zhì)量的資料電解液的吸附量因而增大，相應(yīng)的減小溶液觸摸電阻；另一方面較小的面密度，極片厚度較小，減小鋰離子的分散距離，一起面密度越小，正負(fù)極資料的濃度差越小，下降分散的阻力，進(jìn)步鋰離子在資猜中的分散速度；且極片越薄，在充放電中鋰離子不斷的嵌入與脫出對(duì)極片結(jié)構(gòu)形成的改變也越小；一起，面密度較小，化成時(shí)形成的SEI 薄而穩(wěn)定，削減鋰離子在SEI 膜中的搬遷阻力。而面密度較大時(shí)，界面電阻增大，然后下降鋰離子在資猜中分散速度，當(dāng)大電流充電時(shí)，鋰離子不容易從資猜中脫出，易形成極化，可逆鋰離子削減，因而容量衰減。由此可見(jiàn)，想要使充電機(jī)充電蓄電池具有優(yōu)異的倍率功能，則需求下降極片的面密度。可是，這必將以充電機(jī)充電蓄電池的容量為代價(jià)，快充快放與充電機(jī)充電蓄電池容量不行兼得，需求在兩者間掌握一個(gè)適宜的值。
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壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池影響
同極片面密度一樣， 壓實(shí)密度大小相同會(huì)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)功能形成很大的影響。壓力過(guò)小， 顆粒之間觸摸不嚴(yán)密，失掉銜接，部分顆粒無(wú)法接納電流，容量丟失；另一方面，壓力過(guò)小極片厚度較大，增大鋰離子搬遷途徑。壓力過(guò)大，顆粒之間觸摸太嚴(yán)密，極片易開(kāi)裂，一起電解液滋潤(rùn)困難，減小了導(dǎo)電率。極片壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池詳細(xì)影響如下所述。
2.1壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池比容量影響
選用相同面密度（150g/m2）的極片，調(diào)整極片的壓實(shí)密度。對(duì)終究充電機(jī)充電蓄電池進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，不同的壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響如圖4所示。
圖4.不同壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響
由圖4中可以看出，6 C大電流充電時(shí)， 隨壓實(shí)密度增大其首次放電比容量差異不大，但跟著循環(huán)次數(shù)的添加，放電比容量和充電機(jī)充電蓄電池容量保持率均呈現(xiàn)了先升高后下降的狀況，充電機(jī)充電蓄電池在壓實(shí)密度為3.32g/cc時(shí)，達(dá)到了循環(huán)功能最優(yōu)。
2.2壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻影響
相同，不同壓實(shí)密度的充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)前后的內(nèi)阻也有較大的改變，如表2所示。
表2. 不同壓實(shí)密度充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)前后內(nèi)阻改變
由上表可知，壓實(shí)密度越小，在充放電循環(huán)中充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加較大。在必定規(guī)模內(nèi)（3.0-3.32），跟著壓實(shí)密度添加，充電機(jī)充電蓄電池初始電阻越小，大電流充電后充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加較小；超過(guò)此規(guī)模后，充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻升高，且循環(huán)后內(nèi)阻升高較快。這是因?yàn)楸囟ㄒ?guī)模內(nèi)壓力較大時(shí)， 顆粒之間觸摸嚴(yán)密，下降了觸摸電阻，且容量丟失小，另一方面，極片厚度較小，縮短了鋰離子搬遷途徑，進(jìn)步了鋰離子在資猜中的搬遷速率。但壓實(shí)過(guò)大時(shí)，一方面資料對(duì)電解液的滋潤(rùn)才能較弱，觸摸內(nèi)阻增大，發(fā)生了負(fù)面影響；另一方面，過(guò)壓壓力會(huì)形成極片過(guò)壓狀況，活物質(zhì)顆粒描摹會(huì)有必定損壞，活物質(zhì)被碾碎后電子和鋰離子在極片內(nèi)部搬遷途徑變長(zhǎng)，形成了充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻增大，容量也會(huì)衰減加快。
總結(jié)
綜上，不同面密度影響大電流充電時(shí)充電機(jī)充電蓄電池電化學(xué)功能的首要原因是加大的面密度會(huì)增長(zhǎng)鋰離子的脫嵌途徑，增大濃差極化，使鋰離子在資料的嵌入和脫出阻力增大。適宜的壓實(shí)密度可以下降內(nèi)阻，鋰離子搬遷途徑縮短，進(jìn)步容量，充電機(jī)充電蓄電池快充循環(huán)功能更好。持續(xù)增大壓實(shí)密度會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓反而晦氣于充電機(jī)充電蓄電池快充，故循環(huán)功能也會(huì)隨之下降。在充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃中，因?yàn)槌潆姍C(jī)充電蓄電池殼體積相同，想要在必定空間內(nèi)取得較大的容量，則需求將壓實(shí)密度升到最大值，可是過(guò)大的壓實(shí)密度也會(huì)帶來(lái)晦氣的影響，也進(jìn)步了動(dòng)力本錢(qián)。因而，在規(guī)劃充電機(jī)充電蓄電池時(shí)我們要綜合考慮充電機(jī)充電蓄電池容量、倍率等功能，來(lái)挑選適宜的面密度和壓實(shí)密度。
我們?nèi)粘＿\(yùn)用手機(jī)、充電寶等產(chǎn)品時(shí)，尋求在必定體積內(nèi)充電機(jī)充電蓄電池容量越高越好。影響充電機(jī)充電蓄電池功能和容量的要素有多個(gè)，例如活物質(zhì)、電解液、隔閡、充電機(jī)充電蓄電池的結(jié)構(gòu)、極片生產(chǎn)工藝等等。今日跟我們共享的是在極片規(guī)劃中影響充電機(jī)充電蓄電池容量和功能的要害參數(shù)：面密度和壓實(shí)密度。在活物質(zhì)、電解液等資料一致的狀況下，極片的面密度和壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池有重要的影響。
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面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池的影響
1.1面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響
“充電五分鐘，通話(huà)一小時(shí)”是我們常常聽(tīng)到的廣告，廣告涉及到的內(nèi)容其實(shí)是充電機(jī)充電蓄電池的快充功能。充電機(jī)充電蓄電池快充功能與充電機(jī)充電蓄電池極片的面密度和壓實(shí)密度密切相關(guān)，為了驗(yàn)證不同面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池快充的影響，使用鈷酸鋰為正極、石墨為負(fù)極制作了軟包充電機(jī)充電蓄電池。圖1是不同面密度極片的充電機(jī)充電蓄電池在快充（6C）條件下的循環(huán)體現(xiàn)。由圖1 可以看出，6 C 大電流充電時(shí)隨正極面密度的減小，其放電比容量顯著提升，且循環(huán)進(jìn)步。
1.2面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻的影響
充電機(jī)充電蓄電池在循環(huán)過(guò)程中，鋰離子不斷的脫嵌、嵌入，進(jìn)行搖椅式運(yùn)動(dòng)。跟著循環(huán)次數(shù)的添加，必定會(huì)有鋰離子脫嵌失利、鋰金屬分出、電解液氧化分化、產(chǎn)氣等副反響發(fā)作。一般，充電機(jī)充電蓄電池的內(nèi)阻會(huì)跟著充電機(jī)充電蓄電池運(yùn)用時(shí)間的延伸而逐步增大，即內(nèi)阻改變?cè)叫。潆姍C(jī)充電蓄電池循環(huán)壽數(shù)越長(zhǎng)。表1是不同面密度充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)必定次數(shù)后內(nèi)阻的改變狀況，這也反響了不同面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻的影響。由表1可知面密度為150 g/m2時(shí)，充電機(jī)充電蓄電池初始電阻最小，大電流充電后充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加較小；跟著面密度添加，充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻增大，在充放電循環(huán)中充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻添加也較大。
表1電池內(nèi)阻及容量保持率
Table 1 The internal resistance and capacity
retention of the LiCo02 batteries
正極面密度/(g.m-2)循環(huán)前內(nèi)阻/fl循環(huán)后內(nèi)阻/fl容*保持率/%
|
150 |
34 |
45.0 |
89.06 |
|
183 |
62 |
97.0 |
79.63 |
|
220 |
65 |
151.9 |
6〇:45蹕妓 |
充電機(jī)充電蓄電池的各部分電阻均會(huì)隨電極資料面密度的增大而增大，尤其是SEI 膜電阻添加較顯著，說(shuō)明面密度增大發(fā)生的SEI 膜較厚。電化學(xué)極化及濃差極化電阻添加，表明隨面密度添加電化學(xué)反響過(guò)程中鋰離子反響速率及搬遷速率變小，極化增大，體現(xiàn)為晦氣于充電機(jī)充電蓄電池快速充電然后影響其循環(huán)功能。
1.3面密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池影響微觀(guān)分析不同面密度極片在SEM下如圖3所示。可見(jiàn)，極片面密度越低，資料的孔隙率增大，單位質(zhì)量的資料電解液的吸附量因而增大，相應(yīng)的減小溶液觸摸電阻；另一方面較小的面密度，極片厚度較小，減小鋰離子的分散距離，一起面密度越小，正負(fù)極資料的濃度差越小，下降分散的阻力，進(jìn)步鋰離子在資猜中的分散速度；且極片越薄，在充放電中鋰離子不斷的嵌入與脫出對(duì)極片結(jié)構(gòu)形成的改變也越小；一起，面密度較小，化成時(shí)形成的SEI 薄而穩(wěn)定，削減鋰離子在SEI 膜中的搬遷阻力。而面密度較大時(shí)，界面電阻增大，然后下降鋰離子在資猜中分散速度，當(dāng)大電流充電時(shí)，鋰離子不容易從資猜中脫出，易形成極化，可逆鋰離子削減，因而容量衰減。由此可見(jiàn)，想要使充電機(jī)充電蓄電池具有優(yōu)異的倍率功能，則需求下降極片的面密度。可是，這必將以充電機(jī)充電蓄電池的容量為代價(jià)，快充快放與充電機(jī)充電蓄電池容量不行兼得，需求在兩者間掌握一個(gè)適宜的值。
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壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池影響
同極片面密度一樣， 壓實(shí)密度大小相同會(huì)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)功能形成很大的影響。壓力過(guò)小， 顆粒之間觸摸不嚴(yán)密，失掉銜接，部分顆粒無(wú)法接納電流，容量丟失；另一方面，壓力過(guò)小極片厚度較大，增大鋰離子搬遷途徑。壓力過(guò)大，顆粒之間觸摸太嚴(yán)密，極片易開(kāi)裂，一起電解液滋潤(rùn)困難，減小了導(dǎo)電率。極片壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池詳細(xì)影響如下所述。
2.1壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池比容量影響
選用相同面密度（150g/m2）的極片，調(diào)整極片的壓實(shí)密度。對(duì)終究充電機(jī)充電蓄電池進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，不同的壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響如圖4所示。
圖4.不同壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池放電比容量的影響
由圖4中可以看出，6 C大電流充電時(shí)， 隨壓實(shí)密度增大其首次放電比容量差異不大，但跟著循環(huán)次數(shù)的添加，放電比容量和充電機(jī)充電蓄電池容量保持率均呈現(xiàn)了先升高后下降的狀況，充電機(jī)充電蓄電池在壓實(shí)密度為3.32g/cc時(shí)，達(dá)到了循環(huán)功能最優(yōu)。
2.2壓實(shí)密度對(duì)充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)阻影響
相同，不同壓實(shí)密度的充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)前后的內(nèi)阻也有較大的改變，如表2所示。
表2. 不同壓實(shí)密度充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)前后內(nèi)阻改變
|
壓實(shí)密度 /(g-cnr3) |
極片厚度 /jjim |
分容后 內(nèi)阻/n |
循環(huán)后 內(nèi)阻/n |
容滬保持率 (500 次） |
|
3.00 |
75 |
75.1 |
91.3 |
88.74 % |
|
3.20 |
71 |
632 |
76.3 |
90.10 % |
|
3.32 |
70 |
59.1 |
70.5 |
9\50 % |
|
3.60 |
66 |
61.6 |
78.1 |
90.32 % |
總結(jié)
綜上，不同面密度影響大電流充電時(shí)充電機(jī)充電蓄電池電化學(xué)功能的首要原因是加大的面密度會(huì)增長(zhǎng)鋰離子的脫嵌途徑，增大濃差極化，使鋰離子在資料的嵌入和脫出阻力增大。適宜的壓實(shí)密度可以下降內(nèi)阻，鋰離子搬遷途徑縮短，進(jìn)步容量，充電機(jī)充電蓄電池快充循環(huán)功能更好。持續(xù)增大壓實(shí)密度會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓反而晦氣于充電機(jī)充電蓄電池快充，故循環(huán)功能也會(huì)隨之下降。在充電機(jī)充電蓄電池規(guī)劃中，因?yàn)槌潆姍C(jī)充電蓄電池殼體積相同，想要在必定空間內(nèi)取得較大的容量，則需求將壓實(shí)密度升到最大值，可是過(guò)大的壓實(shí)密度也會(huì)帶來(lái)晦氣的影響，也進(jìn)步了動(dòng)力本錢(qián)。因而，在規(guī)劃充電機(jī)充電蓄電池時(shí)我們要綜合考慮充電機(jī)充電蓄電池容量、倍率等功能，來(lái)挑選適宜的面密度和壓實(shí)密度。
