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用经验公式助理锂离子电池比能量提升

堃博士

1年前浏览783

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