鉅大LARGE | 點擊量:694次 | 2022年02月16日
負極脫鋰電壓和可逆容量之間的妥協(xié)關(guān)系怎樣
嚴格講,質(zhì)量比能量和電壓之間的妥協(xié),不包括鋰金屬。鋰金屬工作電壓0V,理論容量3862mAh/g,實際容量由活性物質(zhì)利用率決定。
為什么要妥協(xié)?一般講,現(xiàn)在的負極候選材料(不包括金屬鋰)具有一個基本特點就是容量越大活性電極材料,其脫鋰電壓平臺(或者平均值)越高,例如,石墨類碳材料平均脫鋰電位為0.15V,實際容量為350mAh/g;Sn負極平均脫鋰電位為0.5V,理論容量為990mAh/g;Si負極平均脫鋰電位為0.45V,理論容量為4200mAh/g。Sn和Si的實際可利用容量,還不確定,最終由使用條件決定。
電池能量密度和比特性是平均工作電壓(正負極電壓差)與質(zhì)量比容量(或者體積比容量)的乘積決定,在以Si或者Sn替代碳基材料時,電池比容量增大量是否能彌補電池工作電壓的降低,是需要考慮的一個重要因素。一個簡單的例子說明,假如正極為磷酸鐵鋰,其工作電壓以3.45V計,容量以160mAh/g計;當與石墨碳(以0.15V,350mAh/g實際容量計)匹配時,1g磷酸鐵鋰匹配0.457g石墨碳,全電池理論比能量為(3.45-0.15)V*160mAh/1.457g=362.3mWh/g。
1g磷酸鐵鋰與Si負極匹配,Si負極按照0.45V和4200mAh/g計算,匹配后的全電池比能量為(3.45-0.45)V*160mAh/1.038g=462mWh/g。明顯的,使用Si負極替代石墨碳負極以后,其容量增長可以彌補因為其脫鋰電壓升高導(dǎo)致的電池電壓下降帶來的影響。當然,這是理論的考慮,因為Si負極實際容量不可能達到其理論值。假設(shè)Si負極實際容量為p,要滿足全電池比能量大于362.3mWh/g的條件,滿足的關(guān)系式是
當然,上式還是做了一點簡化,未考慮Si負極電壓與容量的關(guān)系,但是可以說明我們目前要討論的目的。計算可得p至少要492.5mAh/g,換句話說,Si負極的實際容量要大于492.5mAh/g才能保證全電池的質(zhì)量比特性不變差(和磷酸鐵鋰/石墨碳體系相比)。高容量C-Si復(fù)合負極材料的開發(fā),也可以借鑒上述討論,粗略講,C-Si復(fù)合負極在實際應(yīng)用時其中的Si部分貢獻的容量不能小于492.5mAh/g,否則就沒有任何意義了。
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%
這就是負極脫鋰電壓升高和可逆容量增大兩個參數(shù)之間的妥協(xié)關(guān)系。正因為這兩個參數(shù)之間存在妥協(xié)關(guān)系,這里就直接忽略了鈦酸鋰、氮化物,因為二者的電壓平臺實在是高,高得無法容忍。
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