鉅大LARGE | 點擊量：11218次 | 2018年05月19日
不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度如何計算？
一、不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度計算
正負極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻計算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質量，部分文獻考慮正負極材料的活性材料質量之和，忽略了非活性電池材料的質量，使得計算結果與實際偏差較大。
按照文獻[4]的計算方法，計算了常見的正負極鋰電材料能量密度，其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高，但是與理論值還有較大差距，最高容量的選擇沒有采用報道中的最高值而是綜合考慮技術指標實現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出除去封裝材料和引線，封裝材料內部的非活性材料的典型參數(shù)[4]。
然而，電池形狀各異，本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料，大部分計算是基于電芯的結果。并且，由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特征參數(shù)對計算結果有某程度上的影響，該表格計算結果與實際電池會有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關。
圖29(a)-(j)展示了10種不同負極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計算結果。圖2(i)標明，Li-rich-300對Si-C-2000的電芯體系，所有的電池體系中具有最高質量能量密度584Whkg-2，以及最高的體積能量密度1645WhL-1（不包括封裝材料和極耳）。
表1計算所用正極活性物質及其比容量、電壓
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
表2計算所用負極活性物質質量及其比容量、電壓
圖2不同負極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計算(a)石墨；(b)軟碳SC-400；(d)硬碳-250；(e)SiOx-420；(f)SiOx-1000；(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000；(j)鈦酸鋰
二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計算
以上計算結果均為負極材料，石墨理論比容量為372mAhg-1[5]，目前可逆容量能達到365mAhg-1，高容量軌跡負極材料可逆容量可達到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實際容量難以全部發(fā)揮，僅為380-450mAhg-1。相對地，金屬鋰的理論比容量高達3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-1，而且可以充當鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續(xù)副反應、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。
考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計算了金屬鋰利用率分別為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2對比，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負極時，能量密度649Whkg-1，即使發(fā)揮只有33%的時候能量密度也有521Whkg-1。
圖3金屬鋰作為負極的電芯能量密度計算
(a)Li容量全部發(fā)揮；
(b)Li容量發(fā)揮80%；
(c)Li容量發(fā)揮50%；
(d)Li容量發(fā)揮33%.
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