锂离子电池多孔电极的结构和分类！

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多孔电极是指具有一定的孔隙率的电极,采用多孔电极进行电化学反应,可以提高参与电极反应的表面积,降低电化学极化,减小充放电时的电流密度。锂离子电池正负极通常采用粉末多孔电极,通常是将活性固体粉末与惰性导电固体微粒混合,通过黏结、涂膏、压制等方法制备而成。锂离子电池的嵌/脱锂反应在电极的三维空间结构中进行,多孔电极结构直接影响电池的性能。本章首先讨论了锂离子电池多孔电极的结构和分类,然后介绍了锂离子多孔电极动力学,最后介绍了锂离子电池多孔电极的电化学性能。

多孔电极的结构十分复杂,因活性物质、导电剂、黏结剂的不同及其制备工艺不同而变化,描述多孔电极结构特征的参数主要包括孔隙率、孔径及其分布、比表面积、孔形态、曲折系数和厚度等。

孔隙率是指电极中孔隙体积与电极表观体积的比率。电极孔隙中含有电解液,若孔隙率较大,孔隙中电解液具有较好的离子传输性能,但是固相体积分数会降低,导致电极电子导电性变差;同时还会造成电池体积比能量降低。若孔隙率过小,电极电子导电性提高,但电解液离子传输性能降低,也会导致电池性能下降。

孔径是指孔隙横截面的直径。按孔径d值大小可将孔隙分为微孔(d<2nm)、中孔(2nm<d<50nm)和大孔(d>50nm)。孔径分布是指不同孔径的孔体积所占总孔体积的百分数。将孔径大小和孔径分布综合考虑,才能全面分析多孔电极的孔隙结构。

比表面积是指单位表观体积或单位重量多孔电极所具有的表面积,单位分别为m⁻¹和m²/kg,可以反映参与电极反应的表面积大小。对于没有内部孔隙粉体构成的多孔电极,表面积等于粉体的外表面积;对于内部含有丰富孔隙的粉体,不同孔径的孔隙在电极反应过程中作用不同。表面积主要由微孔的表面积贡献,微孔是电极反应的主要场所,而大孔主要起到离子传输通道作用。

孔形态通常有通孔、半通孔和闭孔三种。通孔一般是离子传输的主要通道,半通孔也有离子传输作用,闭孔一般不能传输离子;通孔和半通孔孔壁是电极反应的主要界面,闭孔孔壁不能进行电化学反应。

孔隙曲折系数是指多孔电极中通过孔隙传输时实际传输途径的平均长度与直通距离之比,曲折系数越大,传输距离越长。

电极厚度主要影响多孔电极内部离子导电和电子导电的传输距离,影响多孔电极的反应深度。如果电极厚度过大,多孔电极内部活性物质不能得到充分利用,导致功率密度和能量密度降低;如果电极的厚度太小,活性物质充装量较少,辅助材料所占比例过大,也会导致能量密度降低。实际应用过程中要根据电池性能要求选择合适的电极厚度。

多孔电极按电极反应特征可分为两相多孔电极和三相多孔电极。两相多孔电极中主要包括固、液两相,电解液渗入多孔电极的孔隙中,在液⁃固两相界面上进行电极反应,也称为全浸式扩散电极。锂离子电池和铅酸蓄电池的正负极属于此类电极。三相多孔电极包括气、液、固三相,电极反应在三相界面处进行,由于有气体参与又称为气体扩散电极。燃料电池中的氢电极、氧电极和锌⁃空气电池中的空气(氧)电极都属于此类电极。

多孔电极按照电极是否参与氧化还原反应可分为活性电极和非活性电极。活性电极通常是由参加电化学氧化还原反应的粉末组成,锂离子电池多孔电极属于活性电极。非活性电极中的固相网络本身不参加氧化还原反应,只负担电子传输和提供电化学反应表面,也称为催化电极。

粉末多孔电极按制造工艺可分为涂膏式、压成式、烧结式和盒式。涂膏式粉末多孔电极是将活性物质粉末及其他各种组分的粉末用某种溶液调和为膏状物,然后涂覆于集流体上制成电极。锂离子电池正负电极就是采用这种工艺制成。压成式粉末多孔电极是将干活性物质粉末及其他成分粉末直接压制而成电极。烧结式粉末多孔电极是将活性物质粉末加压成型后高温烧结而成。盒式粉末多孔电极是将粉末装填于穿孔的金属盒或管中制成电极。例如铅酸蓄电池中的管状正极就是采用这种工艺制成。

来源：锂电那些事

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首次发布时间：2023-06-22