不同极片的电解液浸润速率
作者:admin
发布日期:2020-01-02

       

  极片的电解液浸润对性能影响很大,电解液浸润效果不好时,离子传输路径变远,阻碍了锂离子在正负极之间的穿梭,未接触电解液的极片无法参与电池电化学反应,同时电池界面电阻增大,影响锂电池的倍率性能、放电容量和使用寿命。

  实验装置如下图所示,装置处于惰性气体保护氛围中。电解液容器放置在可加热的升降平台上,平台升降通过电机驱动,可以精确控制位移。极片样品悬挂在电子天平上,控制升降平台使极片样品浸没在电解液中5mm。数据采集器实时记录样品重量增加数据,通过质量—时间(m—t)数据分析极片的电解液浸润速率。

  电极中的电解质润湿过程是由毛细管力驱动的自发液体吸附过程,忽略惯性和重力的影响,因此,电极中电解液重量随时间变化的关系可用修正的 Lucas-Washburn 方程描述、即公式 2-1a 和 2-1b 。

  实验测试采集到的典型质量—时间曲线如下图所示,极片浸入电解液后,表面吸收电解液,质量迅速增加。之后,电解液在电极孔隙内浸润,质量慢慢增加,电解液浸润速率主要分析这个过程的曲线求得,电解液下降离开极片后质量迅速降低,再电极表面的电解液滴落质量缓缓下降。

  对电解液浸润阶段的曲线a,横坐标为时间的平方根,纵坐标为质量/(样品横截面积·电解液密度),作图。对曲线进行线性拟合,直线斜率即为电解液浸润速率K。

  负极极片电解液浸润速率比正极极片大(0.244 0.175),负极吸附电解液更快。

  极片种的孔可以分为两类,(I)大孔,颗粒之间的孔隙;(II)小孔,颗粒内部的孔隙。孔腔之间通过喉道联通。从图中分析计算两类孔的参数,列入表2-3,负极总孔隙率比正极大,负极平均孔径也比正极大,负极小孔占总孔比值高,孔隙联通性更好,图2-6是正负极极片形貌对比。因此,负极浸润速率更快。

  根据公式2-1b,横坐标为孔隙率*孔径的平方根,纵坐标为浸润速率,做线性拟合,拟合相关性不是特别好,如图3-3所示。

  图3-4是四种极片的形貌,片状石墨倾向于平行集流体排列,而且随着压实增加,这种平行排列倾向增加,如图3-8所示。

  5%导电剂的极片电解液浸润速率最小,这与孔结构特征有关,如图4-6所示,导电剂含量少(3%)时,活性物质颗粒之间的孔腔内几乎没有导电剂存在,随着导电剂含量增加(5%),活性物质颗粒之间的孔腔没填充着导电剂,形成了导电剂域内的细小孔隙,而导电剂进一步过量(7%)时,由于导电剂高度团聚,在孔腔内的导电剂又会形成导电剂域内的较大孔隙。导电剂内部的细小孔隙不利于电解液扩散,因此综合结果如表4-2所示。

  石墨负极的电解液浸润速率大于正极,这与孔隙率和孔径相关,而浸润速率还受到孔结构特征影响,比如孔腔之间的喉道尺寸,小孔和大孔的比例与分布等。而孔结构主要可以通过辊压工艺,材料形貌,导电剂含量等控制。

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