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不同負(fù)極材料的鋰離子電池電芯能量密度如何計(jì)算?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:11197次  |  2018年05月19日  

  一、不同負(fù)極材料的鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算


  正負(fù)極材料決定了電池能量密度,但是大部分文獻(xiàn)計(jì)算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量,部分文獻(xiàn)考慮正負(fù)極材料的活性材料質(zhì)量之和,忽略了非活性電池材料的質(zhì)量,使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。


  按照文獻(xiàn)[4]的計(jì)算方法,計(jì)算了常見的正負(fù)極鋰電材料能量密度,其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高,但是與理論值還有較大差距,最高容量的選擇沒有采用報(bào)道中的最高值而是綜合考慮技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達(dá)到該值仍有許多問題,如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出除去封裝材料和引線,封裝材料內(nèi)部的非活性材料的典型參數(shù)[4]。


  然而,電池形狀各異,本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料,大部分計(jì)算是基于電芯的結(jié)果。并且,由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特征參數(shù)對計(jì)算結(jié)果有某程度上的影響,該表格計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電池會有一定偏差,這與電池制造工藝密切相關(guān)。


  圖29(a)-(j)展示了10種不同負(fù)極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計(jì)算結(jié)果。圖2(i)標(biāo)明,Li-rich-300對Si-C-2000的電芯體系,所有的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584Whkg-2,以及最高的體積能量密度1645WhL-1(不包括封裝材料和極耳)。

  表1計(jì)算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

  表2計(jì)算所用負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量及其比容量、電壓


  圖2不同負(fù)極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計(jì)算(a)石墨;(b)軟碳SC-400;(d)硬碳-250;(e)SiOx-420;(f)SiOx-1000;(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000;(j)鈦酸鋰


  二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算


  以上計(jì)算結(jié)果均為負(fù)極材料,石墨理論比容量為372mAhg-1[5],目前可逆容量能達(dá)到365mAhg-1,高容量軌跡負(fù)極材料可逆容量可達(dá)到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮,實(shí)際容量難以全部發(fā)揮,僅為380-450mAhg-1。相對地,金屬鋰的理論比容量高達(dá)3860mAhg-1,即使利用率33%,也有1287mAhg-1,而且可以充當(dāng)鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續(xù)副反應(yīng)、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。


  考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同,本工作計(jì)算了金屬鋰?yán)寐史謩e為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2對比,可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時候,相同正極的體系,金屬鋰離子電池比鋰電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負(fù)極時,能量密度649Whkg-1,即使發(fā)揮只有33%的時候能量密度也有521Whkg-1。

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應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

  圖3金屬鋰作為負(fù)極的電芯能量密度計(jì)算


  (a)Li容量全部發(fā)揮;


  (b)Li容量發(fā)揮80%;


  (c)Li容量發(fā)揮50%;


  (d)Li容量發(fā)揮33%.


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