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用经验公式助理锂离子电池比能量提升

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一个经验公式预测电池质量能量密度,该模型除了考虑电极容量外,还考虑了多个设计参数,包括面积载量密度、电压差、初始容量平衡以及初始库仑效率来估计可实现的能量密度。

电池比能量计算公式如下:
E-电池的比能量,Wh/kg
k-活性材料的质量分数,即阴极活性材料质量mp和阳极活性材料质量mn之和除以总电池质量,%
∆U-阴极和阳极之间的平均电压差,即电池放电的平均电压,V
Cp-阴极活性材料的克容量,Ah/kg
Cn-阴极活性材料的克容量,Ah/kg
εp、εn -阳极和阴极的初始库仑效率,%
χ-阳极和阴极之间的初始容量比,χ*εn/εp即通常理解的N/P

公式推导过程

根据公式,提升电池能量密度的方法包括:
(1)增加k值,即增加电池中活性材料的质量分数。k值受到许多参数的影响,例如电极材料的特性(例如,粒径,振实密度和表面积),电极制备过程(例如,浆料配方、涂层面负载密度和压实密度),隔膜、集流体、电解液量和电池壳体。对于不同类型的电池,k的差异是由不同的包装和结构设计引起的,例如,对于铝壳方形电池,壳体比较重,从而导致电池的k值通常低于软包和圆柱电池的k值。因此,增加k值的具体措施包括:
1)提高电极配方中活性材料的比例;
2)增加涂层的面密度和压实密度;
3)减少电解液的用量;
4)减薄隔膜与集流体的厚度,从而增加电池活性材料比例;
5)减轻极耳与壳体等材料质量,从而增加电池活性材料比例;
K值对电池比能量的影响

(2)提高电池放电的平均电压∆U,即提高正极材料的电压,降低负极材料的电压。例如钴酸锂正极材料电压不断提高,从4.43V,到4.45V,再到4.48V,甚至4.5V,从而不断提高能量密度

(3)选择高容量正负极材料,提高Cp、Cn值。最好选择高容量、高电压的正极材料,高容量、低电压的负极材料。
不同材料体系电池的能量密度:正负极容量和电压的影响

不同材料体系电池的能量密度

(4)降低χ*εn/εp即通常理解的N/P,作用空间有限。

每一个方面都可以展开详细讨论,比如高负载的厚极片出现了大量论文资料,电解液用量的研究,高容量正负极材料的研究等。高比能量锂金属电池能量密度对应的典型设计参数如下图所示。

参考文献:
Wu Y, Xie L, Ming H, et al. An Empirical Model for the Design of Batteries with High Energy Density[J]. ACS Energy Letters, 2020:807-816.
来源:锂想生活
化学电路材料多尺度
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首次发布时间:2023-09-19
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堃博士
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