扣电和软包性能差异原因

小型纽扣电池是一种被广泛用于学术界，因为它们相对于其他电池来说所需的材料较少，而且组装也非常方便。这种电池通常被用于学术研究，以帮助科学家们更好地了解锂离子电池的性能和特点。很多研究都认为电池的性能和它的形状或大小没有太大的关系。但是，研究发现，电池的形状或大小实际上会影响到电池的循环稳定性和倍率性能，这个研究结果是在所有其他因素比如电池的涂层面密度和厚度等，都相同时得出的，。所以，我们不能忽视电池的形状或大小对电池性能的影响。

充分了解纽扣电池和软包电池性能之间的差异对于将小型纽扣电池在实验室中的性能测量结果转化为工业相关的软包电池性能非常重要。

图1  纽扣式和软包式电池的示意图和电化学表征  

如图1所示，软包电池的构造相对简单，主要由阴极、隔膜和阳极组成，这些电极单层或多层堆叠在一起（通常使用双面涂层电极），然后封装在铝塑膜袋子中。而纽扣电池的构造复杂许多，包括外壳、阳极、隔膜、垫圈、阴极、垫片、弹簧和盖子等多个部分。

实验中，这两种电池都使用了相同的电极，但纽扣电池使用的是单面涂层电极，而软包电池则使用双面涂层电极。纽扣电池的阴极直径为14毫米，阳极直径为16毫米。同时，制造并测试了不同容量的软包电池，包括24、350、700和1000 mAh。其中，24 mAh的电池使用了20mm*25mm的小电极。其他大容量电池使用了50.0mm*68.5mm的阴极和54.0 mm*72.5mm的阳极。其中，350 mAh的电池使用了1个阴极和2个阳极（2对），700 mAh的电池使用了2个阴极和3个阳极（4对），而1000 mAh的电池则使用了3个阴极和4个阳极（6对）。

纽扣电池和所有软包电池的充放电曲线如图1b所示，归一化处理之后，所有电池曲线重合。但是，如图2所示，尽管使用完全相同的电极，但在软包电池中观察到的倍率性能优于纽扣电池。此外，纽扣电池的容量衰减速度比软包电池更快。考虑到两者使用了完全相同的电极和电解质，这种差异来源于不同电池配置中的内阻。为了量化电阻的影响，在100个循环和500个循环后进行EIS分析，结果显示纽扣电池在100个循环后阻抗明显增加（43%），而软包电池的阻抗仅略有增加（10%）（图2c，d）。纽扣电池的初始较高阻抗会导致电极更快地退化，这反过来又会导致随着循环的进行，电池中阻抗的积聚更多。经过 500 次循环后，纽扣电池和软包电池的阻抗均大幅增加。SEM 结果表明，纽扣电池阳极在100次循环后显示出轻微的析锂迹象，在500次循环后显示出大量析锂（图2e中的黄色 区域）。相比之下，软包电池中的阳极即使在 500 次循环后仍显示出非常干净的表面。

图2  纽扣式和软包式电池性能对比  

纽扣电池和软包电池两者的性能差异主要就是电池阻抗差异导致的。为了研究不同电池类型引起的内阻差异，作者进行了各种电化学分析，如EIS、GITT等。图3a显示了使用EIS对7 mAh纽扣电池和1000mAh软包电池的电阻分析。纽扣电池和软包电池的高频串联电阻分别为 6.227 和 0.025 Ω。半圆长度分别代表固体电解质界面 （SEI） 产生的电阻和电荷转移电阻，纽扣电池和软包电池分别为 11.84 和 0.05 Ω。两者差异巨大，超过200倍。此外，还使用GITT来分析纽扣电池和软包电池之间的电阻差异。图3b显示了纽扣电池和软包电池的原始GITT数据，这表明纽扣电池和软包电池的开路电压稳定并与预期相同的值。然而，从GITT计算的纽扣电池和软包电池的欧姆电阻非常不同，如图3c所示，纽扣电池和软包电池的欧姆电阻平均分别约为 19 Ω和 0.14 Ω。纽扣电池的非欧姆电阻在 24 至 176 Ω之间变化，软包电池的非欧姆电阻在 0.13 至 5.23 Ω之间变化。

图3  纽扣电池和软包电池电阻分析  

如图4b所示，软包电池增加尺寸意味着并联了更多的纽扣电池，类似于并联电阻器，其中并联N 个电阻器的总电阻为R/N。在电池的情况下，N与电极面积成正比，因此，如果我们将阻抗乘以电池面积，则获得几乎与电池尺寸和形状无关的归一化电阻。由于电极的参数完全相同，仅仅尺寸不同，这里采用阻抗乘以容量进行归一化，对60%SOC下的DC-IR电阻归一化处理，结果如图4a所示，7、24、350、700和1000 mAh的电池归一化电阻分别为 108、85、85、81 和 76 Ω.mAh。纽扣电池的电阻更高一些。  

图4  电池电阻归一化处理  

总之，软包电池中的阻抗越低，因此倍率性能越好。此外，电阻较高的纽扣电池在循环过程中更有可能发生不良的副反应，例如析锂，因此表现出较低的容量保持率。

参考文献：

Son, Y., Cha, H., Lee, T., Kim, Y., Boies,A., Cho, J. and De Volder, M. Analysis of Differences in ElectrochemicalPerformance between Coin and Pouch Cells for Lithium-Ion Battery Applications.Energy Environ. Mater. 2023.