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常用鋰離子電池參數(shù)與計算公式

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:5015次  |  2019年02月06日  

(1)電極材料的理論容量

電極材料理論容量,即假定材料中鋰離子全部參與電化學(xué)反應(yīng)所能夠提供的容量,其值通過下式計算:

其中,法拉第常數(shù)(F)代表每摩爾電子所攜帶的電荷,單位C/mol,它是阿伏伽德羅數(shù)NA=6.02214×1023mol-1與元電荷e=1.602176×10-19C的積,其值為96485.3383±0.0083C/mol

故而,主流的材料理論容量計算公式如下:

LiFePO4摩爾質(zhì)量157.756g/mol,其理論容量為:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

同理可得:三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩爾質(zhì)量為96.461g/mol,其理論容量為278mAh/g,LiCoO2摩爾質(zhì)量97.8698g/mol,如果鋰離子全部脫出,其理論克容量274mAh/g.

石墨負(fù)極中,鋰嵌入量最大時,形成鋰碳層間化合物,化學(xué)式LiC6,即6個碳原子結(jié)合一個Li。6個C摩爾質(zhì)量為72.066g/mol,石墨的最大理論容量為:

對于硅負(fù)極,由5Si+22Li++22e-?Li22Si5可知,5個硅的摩爾質(zhì)量為140.430g/mol,5個硅原子結(jié)合22個Li,則硅負(fù)極的理論容量為:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

這些計算值是理論的克容量,為保證材料結(jié)構(gòu)可逆,實際鋰離子脫嵌系數(shù)小于1,實際的材料的克容量為:材料實際克容量=鋰離子脫嵌系數(shù)×理論容量

(2)電池設(shè)計容量

電池設(shè)計容量=涂層面密度×活物質(zhì)比例×活物質(zhì)克容量×極片涂層面積

其中,面密度是一個關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù),主要在涂布和輥壓工序控制。壓實密度不變時,涂層面密度增加意味著極片厚度增加,電子傳輸距離增大,電子電阻增加,但是增加程度有限。厚極片中,鋰離子在電解液中的遷移阻抗增加是影響倍率特性的主要原因,考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同,離子在孔隙內(nèi)的遷移距離比極片厚度多出很多倍。

(3)N/P比

負(fù)極活性物質(zhì)克容量×負(fù)極面密度×負(fù)極活性物含量比÷(正極活性物質(zhì)克容量×正極面密度×正極活性物含量比)

石墨負(fù)極類電池N/P要大于1.0,一般1.04~1.20,這主要是出于安全設(shè)計,主要為了防止負(fù)極析鋰,設(shè)計時要考慮工序能力,如涂布偏差。但是,N/P過大時,電池不可逆容量損失,導(dǎo)致電池容量偏低,電池能量密度也會降低。

而對于鈦酸鋰負(fù)極,采用正極過量設(shè)計,電池容量由鈦酸鋰負(fù)極的容量確定。正極過量設(shè)計有利于提升電池的高溫性能:高溫氣體主要來源于負(fù)極,在正極過量設(shè)計時,負(fù)極電位較低,更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。

(4)涂層的壓實密度及孔隙率

在生產(chǎn)過程中,電池極片的涂層壓實密度計算公式:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

而考慮到極片輥壓時,金屬箔材存在延展,輥壓后涂層的面密度通過下式計算:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

涂層由活物質(zhì)相、碳膠相和孔隙組成,孔隙率計算公式:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

其中,涂層的平均密度為:

常用鋰電參數(shù)與計算公式

(5)首效

首效=首次放電容量/首次充電容量

日常生產(chǎn)中,一般是先化成再進(jìn)行分容,化成充入一部分電,分容補(bǔ)充電后再放電,故而:

首效=分容第一次放電容量/(化成充入容量+分容補(bǔ)充電容量)

(6)能量密度

體積能量密度(Wh/L)=電池容量(mAh)×3.6(V)/(厚度(cm)*寬度(cm)*長度(cm))

質(zhì)量能量密度(Wh/KG)=電池容量(mAh)×3.6(V)/電池重量

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