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石墨负极极片取向设计

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极片取向OI参数原理:


石墨制成电极片后,石墨层状结构的排布方向(取向)对锂离子迁移也有较大影响(参见图1)。理想情况下,石墨层结构完全与电极片平面方向垂直对锂离子扩散最有利,但实际制备时难以实现,通常只能控制石墨电极取向在一定范围内。XRD方法可以测试石墨电极的取向性。对水平放置的电极片样品进行衍射图谱测试时,能够采集到的(110)晶面的衍射信号来自于层状结构中垂直于电极片的石墨,(002)和(004)晶面的衍射信号来自于层结构平行于电极片的石墨,因此,可以以(002)或 (004)衍射峰强度(或积分面积)与 (110)衍射峰强度(或积分面积)之比描述石墨电极的取向性。公式描述为:
OI=I(002)/I(110) 或 OI=I(004)/I(110)
其中OI(orientation index)为石墨电极的取向性。


图1  不同取向的石墨电极锂离子迁移示意图


宁德时代有一个发明专利:201910295365.4锂离子电池,主要内容是石墨负极极片设计方面的研究表明,功率性能好的负极活性物质若采用不合理的极片设计,未必能达到持续快充的目标,而功率性能一般的负极活性物质若采用合理的极片设计也可达到快充的效果。因此,负极活性物质的选择以及负极极片设计是实现快速充电的关键。


这个专利主要保护负极极片的X射线衍射谱图中004与110特征衍射峰的峰面积比值(OI值VOI)与压实密度(PD)之间的关系,以及活性物质粉体的X射线衍射谱图中004与110特征衍射峰的峰面积比值(OI值GOI)与粒径D50之间的关系。


负极极片的X射线衍射谱图中004与110特征衍射峰的峰面积比值(OI值VOI)与压实密度(PD)之间的关系具体要求为:

(1)负极极片的压实密度PD范围为 1.0g/cm3~1.6g/cm3

(2)负极极片的OI值VOI与压实密度PD之间的关系满足:2.35≤(80/VOI+43/PD)×PD/VOI≤3.26,其中压实密度PD的单位为g/cm3

(3)负极极片的OI值VOI为15~30。


活性物质粉体的X射线衍射谱图中004与110特征衍射峰的峰面积比值(OI值GOI)与粒径D50之间的关系具体要求为:

(1)负极活性物质的粒径D50为4μm~12μm;

(2)负极活性物质的粒径D50与负极活性物质的粉体OI值GOI之间的关系满足:

3.14≤100/(D50+2.8×GOI)≤4.00,其中负极活性物质的粒径D50的单位为μm;

(3)负极活性物质的粉体OI值GOI为2~4.5。


两者综合而言,为了使锂离子电池能同时兼具充电速度快、能量密度高,负极(天然石墨、人造石墨 中的一种或几种)应该满足:3 .5≤(X×0 .8+Y×0 .2)×Y/X≤5.27,其中,X=(80/VOI+43/PD)×PD/VOI,Y=100/(D50+2.8×GOI)。

来源:锂想生活
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首次发布时间:2023-12-09
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