鋰離子電池電極表征方法應(yīng)用研究.pdf

1、隨著鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對(duì)電池的體積能量密度和功率密度的要求越來(lái)越高，尤其在HEV、PHEV和EV領(lǐng)域，在要求電池保持較高能量密度的同時(shí)，對(duì)功率密度也提出了更高的要求。鋰離子電池主要包括電極（正極和負(fù)極）、電解液以及隔膜三個(gè)部分，能量的產(chǎn)生和傳輸絕大部分都在電極區(qū)域進(jìn)行，因此電極性能的好壞直接決定了電池性能的發(fā)揮。如何優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，提高電池的能量/功率密度，已經(jīng)越來(lái)越被關(guān)注。
　　不同于傳統(tǒng)的平板電極，鋰離子電池電極

2、是由反應(yīng)活性物質(zhì)顆粒、其它填充物（如導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑）和集流體（或骨架）所共同組成的多孔體，顆粒物種和形貌的不同，增加了多孔電極內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒反應(yīng)界面的復(fù)雜性。為了全面細(xì)致的了解多孔電極結(jié)構(gòu)及其影響電池性能的機(jī)理，本論文將電極體系的研究分為物理特性和電化學(xué)特性兩部分，并分別引入了新表征方法。物理特性研究包括孔隙結(jié)構(gòu)、極片附著性、極片浸潤(rùn)性、極片均一性等表征;電化學(xué)特性研究包括固相電子和離子電導(dǎo)特性、電極導(dǎo)電性、電極液相電導(dǎo)特性、電極

3、電化學(xué)界面反應(yīng)活性以及電極鋰沉積生成表征等;最后建立簡(jiǎn)單的鋰離子電池的電性能模型，將電極表征的特性參數(shù)應(yīng)用到模型中，根據(jù)模型提供的最優(yōu)電極參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行驗(yàn)證，電池在容量和倍率放電均表現(xiàn)出了優(yōu)良的特性。本論文主要研究成果如下:
　　1.采用汞壓法表征電極中顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、孔徑分布、曲折度和孔面積，針對(duì)我們電極的特性，確定了電極的預(yù)處理、進(jìn)退汞壓力以及突破壓力點(diǎn)的最佳應(yīng)用策略，并對(duì)不同粒徑、形貌、粒度分布顆粒所制各的

4、電極進(jìn)行了表征，結(jié)果證明大粒徑、球形以及分布較窄顆粒所組成的電極擁有更優(yōu)越的孔結(jié)構(gòu)，利于電解液中鋰離子的擴(kuò)散;圖像法的優(yōu)勢(shì)是直觀可定位，它可以作為壓汞法的輔助手段，可以準(zhǔn)確的描述電極任意位置孔隙結(jié)構(gòu)信息，幫助研究人員迅速的找出電極孔的關(guān)鍵改善點(diǎn)，圖像法的開(kāi)發(fā)包括了優(yōu)化電極樣品截面制備、圖像的數(shù)字化處理、原位高精度的FIB-SEM以及三維納米CT法;恒壓阻抗測(cè)試法測(cè)試阻抗簡(jiǎn)便、快捷、誤差小，同時(shí)其測(cè)試的縱向阻抗（包括集流體和顆粒的接觸阻抗

5、）更接近于電池阻抗;針對(duì)極片的潤(rùn)濕性開(kāi)發(fā)了滴液法和表面張力法，其中采用表面張力法更為準(zhǔn)確，且靈活的調(diào)整吸液量和吸液時(shí)間可以幫助我們更充分的了解電極潤(rùn)濕能力;測(cè)定電極的光澤度和粗糙度都可以幫助我們?cè)u(píng)估極片的均一性，光澤度越高，粗糙度越低，極片的均一性越好，兩者可以結(jié)合起來(lái)使用。
　　2.通過(guò)阻塞電極和對(duì)電極的原理，采用AC阻抗的方法測(cè)試了電極固相\液相電子和離子電導(dǎo)率，液相電導(dǎo)與壓汞法的數(shù)據(jù)有很好的一致性;同樣采用AC法測(cè)試電極的電

6、化學(xué)有效面積，通過(guò)校準(zhǔn)電容曲線確定了最佳的頻率和電壓振幅范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了溫度和電極反應(yīng)活性有著明顯的正相關(guān)性;通過(guò)對(duì)金相顯微鏡簡(jiǎn)單的改裝，我們成功的實(shí)現(xiàn)了電極反應(yīng)過(guò)程中的鋰沉積觀測(cè)，并且用它評(píng)價(jià)了電流、循環(huán)次數(shù)以及SOC對(duì)電極充電過(guò)程中嵌鋰狀態(tài)影響。
　　3.以電池內(nèi)部動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)鋰電池充放電模型，將前面表征的物理特性和電化學(xué)特性參數(shù)輸入模型，通過(guò)模型計(jì)算不同倍率下的電極內(nèi)部鋰離子濃度對(duì)于外部放電電壓特性的影響。模擬結(jié)果證實(shí)了