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電池的倍率性能影響電池充放電的快慢及壽命,如何降低電池內(nèi)阻,提升電池的倍率性能是電池研究人員在不斷探索的方向。電池的內(nèi)阻由不同組件構(gòu)成,如圖1扣式電池的組成結(jié)構(gòu),內(nèi)阻包含正負(fù)極殼、正負(fù)極極片、隔膜、墊片/彈片以及各部分之間的接觸電阻,若進(jìn)一步從整個扣式電池的制備流程上分析,不同層級的組件電阻會影響最終電池的內(nèi)阻,如圖2所示,利用不同的設(shè)備對不同層級的粉末、漿料、極片和扣式電池的電阻進(jìn)行測試,分析層級之間電阻的關(guān)聯(lián)性,進(jìn)而可以有針對性的控制電池設(shè)計和制作工藝,提升電池的倍率性能。
圖1.扣式電池的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.電池不同層級測試方式
1. 實驗方案&測試條件
1.1實驗方案:本文選用5個不同電阻率的三元粉末,按照質(zhì)量比例96.5:1.5:2(活性物質(zhì):導(dǎo)電炭: PVDF)進(jìn)行漿料制作,固含量為53.3%,然后按照常規(guī)的涂布、輥壓、沖片、扣電組裝和測試的流程進(jìn)行。
1.2 測試條件:
1.2.1 粉末電阻率:5~200MPa,間隔50MPa,保壓10s;
1.2.2 漿料電阻率:連續(xù)測試5min,間隔20s采點;
1.2.3 極片電阻率:5MPa,,保壓15s;
1.2.4 扣電DCR:25℃,20%DOD,1.5C放電30s;
2. 電池不同層級電阻率分析
2.1 粉末電阻率
本文選取5種不同電阻率的三元材料做扣式電池的正極,對5款粉末進(jìn)行壓實密度測試,從圖3(a)可看到,隨著測試施加壓強的增大,5個樣品的壓實密度均在2~3g/cm3之間,同比選擇壓實密度為3g/cm3,對應(yīng)壓強為200MPa時的電阻率,如圖3(b)所示,電阻率大小為1#<2#<3#<4#<5#。
圖3 (a)5種粉末的壓實密度曲線;(b)5種粉末的電阻率對比
2.2 漿料電阻率
5種樣品按照相同的配方攪拌后,用漿料電阻儀進(jìn)行電阻率測試,大約3min后電阻率數(shù)值相對穩(wěn)定,取此時的電阻率進(jìn)行同比,從圖4上可發(fā)現(xiàn),5種漿料的電阻率大小為:1#<5#<3#<2#<4#,類似M型的變化,相比粉末狀態(tài)時的一直增大趨勢,此時3#和5#漿料反而偏低了,這很可能與漿料種增加了1.5%的導(dǎo)電炭有關(guān),因為導(dǎo)電炭的導(dǎo)電性要遠(yuǎn)大于三元材料,且它在漿料中的分散程度和狀態(tài)都會影響漿料電阻率的測量。
圖4. 五種漿料的電阻率對比
2.3 極片電阻率
分別對輥壓前后的極片進(jìn)行相同條件的電阻率測試,如圖5所示,經(jīng)過輥壓的極片,壓實密度提升至3g/cm3,與粉末壓實后的狀態(tài)一致,且電阻率相比輥壓前降低了很多,主要是由于活性顆粒之間、活性顆粒與導(dǎo)電炭、涂覆層與集流體之間的接觸變好有關(guān)。同比電阻率趨勢,與漿料的電阻率M型變化類似,這說明當(dāng)配方一致時,漿料與極片的電阻率趨勢更接近,只是二者的顆粒接觸狀態(tài)不同,且漿料里包含大量的溶劑影響電子傳輸,因此漿料電阻率(kΩ*cm)絕對值要顯著大于極片電阻率(Ω*cm)。
圖5(a)五種極片的壓實密度; 圖5(b)五種極片的電阻率對比
2.4 扣電的直流內(nèi)阻(DCR)
組裝完的扣電靜置12h,進(jìn)行兩圈充放電激活后,按照如圖6(a)所示的DCR流程進(jìn)行測試,計算DCR時選用放電前后的電壓差除以放電電流。從圖6(b)上看,前三個樣品的DCR顯著小于4#和5#,且與漿料和粉末電阻趨勢不同,而4#和5#的內(nèi)阻趨勢與漿料和極片電阻趨勢一致。采用放電30s的條件測出的扣電內(nèi)阻包含各組件的電子電阻,還包括電荷轉(zhuǎn)移電阻和鋰離子擴散電阻,因此影響因素更多,與粉末、漿料、極片的電阻趨勢很可能也會不一致。
圖6(a)扣電DCR測試流程; 圖6(b)五種扣電的DCR對比
3.總結(jié)
本文對不同層級的粉末、漿料、極片和扣式電池的電阻進(jìn)行測試,分析電阻之間的關(guān)聯(lián)性,我們發(fā)現(xiàn)漿料電阻率和極片電阻率的趨勢是類似的,但因為漿料是懸浮液狀態(tài),其電阻率是千歐姆/厘米的數(shù)量級,而極片因為是片狀膜材,電阻率是歐姆/厘米,二者的電阻率絕對值相差近1000倍。從粉末層級到漿料層級,如果粉末態(tài)的電阻率相差較小的話,則會由于制備漿料時加入了其他輔料和溶劑,再加上制備工藝的波動性,電阻率趨勢很可能會與粉末態(tài)不一致。進(jìn)一步延申到扣電的直流內(nèi)阻,因為包含各扣電組件的電子電阻,還包括電荷轉(zhuǎn)移電阻和鋰離子擴散電阻等,影響因素眾多,與粉末、漿料、極片的電阻趨勢很可能也會不一致。
因此,從粉末、漿料、極片、扣電這四個不同層級分析電阻相關(guān)性,很可能會得到不一致的趨勢,但由于每個層級的電阻率參數(shù)能一定程度上代表該層級樣本的電性能穩(wěn)定性和趨勢性,所以監(jiān)控每一層級的電阻率參數(shù)有助于幫助研發(fā)和生產(chǎn)人員更好的篩選電性能優(yōu)異的材料以及監(jiān)控材料及電芯生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn):
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