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，人們對電池的體積能量密度和功率密度的要求越來越高，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，對功率密度也提出了更高的要求。鋰離子電池主要包括電極（正極和負極）、電解液以及隔膜三個部分，能量的產(chǎn)生和傳輸絕大部分都在電極區(qū)域進行，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。為了全面細致的了解多孔電極結(jié)構(gòu)及其影響電池性能的機理，本論文將電極體系的研究分為物理特性和電化學特性兩部分，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、極片浸潤性、極片均一性等表征;電化學特性研究包括固相電子和離子電導特性、電極導電性、電極液相電導特性、電極

3、電化學界面反應(yīng)活性以及電極鋰沉積生成表征等;最后建立簡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)計實驗電池進行驗證，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，針對我們電極的特性，確定了電極的預(yù)處理、進退汞壓力以及突破壓力點的最佳應(yīng)用策略，并對不同粒徑、形貌、粒度分布顆粒所制各的

4、電極進行了表征，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散;圖像法的優(yōu)勢是直觀可定位，它可以作為壓汞法的輔助手段，可以準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，圖像法的開發(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;恒壓阻抗測試法測試阻抗簡便、快捷、誤差小，同時其測試的縱向阻抗（包括集流體和顆粒的接觸阻抗

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

6、化學有效面積，通過校準電容曲線確定了最佳的頻率和電壓振幅范圍，實驗證實了溫度和電極反應(yīng)活性有著明顯的正相關(guān)性;通過對金相顯微鏡簡單的改裝，我們成功的實現(xiàn)了電極反應(yīng)過程中的鋰沉積觀測，并且用它評價了電流、循環(huán)次數(shù)以及SOC對電極充電過程中嵌鋰狀態(tài)影響。
　　3.以電池內(nèi)部動力學方程為基礎(chǔ)鋰電池充放電模型，將前面表征的物理特性和電化學特性參數(shù)輸入模型，通過模型計算不同倍率下的電極內(nèi)部鋰離子濃度對于外部放電電壓特性的影響。模擬結(jié)果證實了