BMW公司:模型化設計工具提升鋰離子電池設計效率
對于正負極存在這樣的臨界點,對于全電池也存在同樣的臨界點,通常我們認為當電池的放電容量低于C/10容量的80%時,這個電流密度就是電池的臨界點,此時鋰離子電池內部就開始存在Li+擴散限制。從下圖中能夠注意到,當電極的涂布厚度越大,則臨界電流也就越低,這表明Li+的擴散過程成為了鋰離子電池倍率性能的重要影響因素之一。
不同厚度電極的電池的臨界電流密度的不同也會對鋰離子電池的循環性能產生影響,下面是采用不同電極厚度的電池的循環性能曲線,首先電池在C/3充放倍率下循環到285次,然后在1C充電/C/3放電倍率下循環到548次,然后在以1.5C充電/C/3放電的倍率繼續循環。從測試結果來看,在前285次循環中所有電池的容量保持率都達到96%以上。隨著將電池的充電倍率提高到1C,我們發現電極厚度較大的幾種電池(4.4、5.5和6.6mAh/cm2)衰降速度明顯加快,而涂布量較低的兩種電極(2.2和3.3mAh/cm2)電極衰降速度則沒有出現明顯的加快。但是作者發現3.3mAh/cm2的電池中有兩只發生了明顯的衰降,兩只則沒有明顯的衰降,這表明1C的充電電流已經達到3.3mAh/cm2電極的臨界電流密度,當繼續把充電電流提高到1.5C倍率,則3.3mAh/cm2的電極也發生了明顯的衰降,而涂布量最低的2.2mAh/cm2的電池僅僅是發生了輕微的衰降現象。作者認為這主要是充電電流超過了臨界電流后,引發了負極析鋰,從而引起了電池可逆容量的嚴重衰降。
對循環壽命末期的電池解剖結果也支持了上面的推測,負極表面觀察到了大量的金屬鋰的析出現象,性能較好的2.2mAh/cm2的負極只有少量的鋰析出,而涂布量較大的4.4mAh/cm2的負極表面則析出了大量的銀白色的金屬鋰。
根據模型仿真和試驗測試結果繪制了下面的鋰離子電池充電電流與最大涂布量之間的關系,其中有兩條曲線,其中g=0.6是標準值,而g=0.3為保守值,在當電極的涂布量在曲線的左下方時表明負極沒有達到臨界電流,不會發生析鋰,而在曲線的右上方則會導致負極析鋰,引起鋰離子電池可逆容量的快速衰降。
BMW公司與美國阿貢國家實驗室開發的這套鋰離子電池模型能夠用來預測不同厚度電極的臨界電流,當充電電流超過臨界電流時,就會因為負極析鋰導致電池的可逆容量極速衰降。因此對于特定厚度的電極我們能夠根據該模型設計合適的充電電流,對于特定的充電電流,我們能夠根據模型選擇合適的電極厚度,從而保證鋰離子電池的循環壽命。通過使用該模型,能夠大大簡化鋰離子電池設計師的工作,提高設計效率,降低研發成本,模型化的設計工具在鋰離子電池設計中具有廣闊的應用前景。
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