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一文了解锂电池四大关键参数!
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锂电池是一个非常复杂的体系,主要由正极、负极、电解液及隔膜等部分组成,每个部分都会影响到整个体系的性能。在整个体系中不同的参数能够表征电池系统不同性能,以下对其中的四个关键参数进行简要介绍。
 
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图片来源:pixabay


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能量密度


各类应用方向对电池具有不同方面的性能需求,因此需要有针对性地开发适合不同应用方向的电池体系。但总的来说,能量密度是衡量电池体系储存电能能力最为重要的参数。能量密度分为质量能量密度和体积能量密度两种衡量方式,二者分别具有不同的应用场景。

质量能量密度的定义为单位质量下的电池能量密度:

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体积能量密度的定义为单位体积下的电池能量密度:

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根据以上公式以及能斯特方程,电池的比能量和比容量可以用以下公式计算:

比能量:

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比容量:


其中,n是参与电化学反应的碱金属离子的个数,F为法拉第常数,E*是电池的平均工作电压,M为电池正负极材料的相对分子量总和,由上述方程式可以看出,电池体系的能量密度与体系的电压和比容量成正比,因此提升能量密度的两条主要途径就是提升电池的输出电压和比容量。为了提高全电池的输出电压,通常需要选取具有较高工作电压的正极材料和较低工作电压的负极材料。然而工作电压的提升还受到电解液体系的限制,目前商用电解液电压区间通常在4.5V以下,难以进一步提升。

因此,进一步提高电池的比容量在目前的研究工作中显得尤为重要,为提高电池体系的比容量,电极材料应该具有较低的相对摩尔质量,并具有更多电子反应,使M降低,n增加。经过多年发展,正极材料的比容量已经遇到瓶颈,容量通常难以超过200mAh/g,而负极材料比容量的提升空间相对更大。因此,发展新型负极材料,并通过各种手段提升负极材料的比容量,对于提升整个电池体系的能量密度至关重要。

首次库伦效率


负极材料在首次放电和充电的过程中,库伦效率通常无法达到100%,会有一部分放电容量不可逆,这部分容量会对全电池的组装产生较大影响。这种导致首次库伦效率降低的不可逆容量主要来源于材料在首次放电过程中,放电到低电压处发生电解液分解并生成SEI膜的过程,以及一些相关的副反应。首次不可逆反应会使得材料的首次库伦效率降低,影响全电池的匹配。

这种现象在纳米材料中更为明显,这是由于纳米材料具有较大的比表面积,会生成更多的SEI膜,并伴随更严重的副反应。对于合金类和转换类材料,不可逆反应还会造成严重的容量衰减并影响充放电反应的库伦效率和循环寿命。因此,通过化学或电化学的方法将材料进行活化以避免首次不可逆容量,或者通过合理的材料和形貌设计,实现具有高首次库伦效率的电极材料显得尤为重要。

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功率密度


功率密度是另一项反映电池充放电能力的重要参数,它表征的是电池在放电过程中输出能量的速度,对应于电池的倍率性能。

功率密度可以通过如下公式进行表征:
 
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其中,I是电池的充放电电流,V代表电压,Rint则对应于电池的内阻。由此可知,电池的内阻越小,其功率密度越大。而内阻则主要与电解液的离子导电率以及电极材料的离子导电率、电子导电率等电荷转移动力学、电池的存储机制以及电极与电解液之间的界面电阻(Rct)等因素相关。这也是在选择电极材料的重要参考因素。

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电池充放电倍率


放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量(Q)时所需要的电流值,它在数值上等于电池额定容量的倍数。即充放电电流(A/额定容量(Ah),其单位一般为C(C-rate的简写),如0.5C1C5C等。

举个例子,对于容量为24Ah电池来说:

48A放电,其放电倍率为2C,反过来讲,2C放电,放电电流为48A0.5小时放电完毕;

12A充电,其充电倍率为0.5C,反过来讲,0.5C充电,充电电流为12A2小时充电完毕;

电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。

参考来源:
1、张璐.高容量储能电池负极材料研究
2、常用锂电参数与计算公式.锂电联盟会长
3、罗列锂电池各个参数.高工锂电
4、中国粉体网


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