導電碳含量對鋰離子電池性能的影響

大家好，小科來為大家解答以上問題。導電碳含量對鋰離子電池性能的影響這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、鋰離子電池作為一種應用廣泛的新能源系統(tǒng)，在手機、電腦、汽車、儲能等領域有著廣闊的應用前景。

2、近年來，由于各個領域?qū)焖俪潆娦阅艿囊笤絹碓礁?，提高電池的倍率性能成為鋰電池研究人員不斷探索的方向。

3、鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液等組成。電池充電時，鋰離子會從正極出來，在電解液支持的環(huán)境下，通過隔膜嵌入負極，電池的倍率性能關系到鋰離子整個遷移過程的阻力。這對研發(fā)是必要的。d人員尋找適當?shù)姆椒▉頊p少每個環(huán)節(jié)的阻力。

4、導電劑對提高鋰離子電池的倍率性能起著關鍵作用，許多相關研究表明，導電劑的加入可以改善電子傳輸路徑，加快電荷轉(zhuǎn)移，提高電池性能。但由于導電劑的粒徑和密度比活性物質(zhì)小，如何保證其在漿料和極片中的均勻分散也是提高電池倍率的重點[1-6]。

5、本文通過改變導電碳的含量，從粉末、膏狀物、極片和扣式電池四個層面表征了電阻性能的變化，定性分析了導電碳對各個層面電阻的影響。同時，探索了最適宜的導電碳含量對電性能的影響，為電池工藝和配方開發(fā)者提供了有利的技術支持。

6、1實驗材料和方法

7、1.1材料

8、鈷錳三元材料(NCM)、導電碳(SP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、2032紐扣電池。

9、1.2分析和測試儀器

10、四探針粉末電阻計(PRCD2100-IEST)-四探針模式、漿料電阻計(BSR2300-IEST)、極片電阻計(BER2500-IEST)，均為遠能科技(廈門)有限公司產(chǎn)品；電池測試儀(CT-4008T-Neware)，電化學工作站(DH7001)。

11、1.3實驗方法

12、根據(jù)表1所示的配方比例，制備五組正極膏、極片和鈕扣電池。用不同的測試設備測試了漿料、極片和扣式電池的電阻性能，分析了導電碳含量對各層電性能的影響。

13、表1。五組樣品的質(zhì)量百分比

14、組

15、質(zhì)量百分比

16、第三的

17、導電碳

18、聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride的縮寫）

19、A

20、98%

21、0%

22、2%

23、B

24、97%

25、1%

26、2%

27、C

28、96.5%

29、1.5%

30、2%

31、D

32、96%

33、2%

34、2%

35、E

36、95%

37、3%

38、2%

39、1.4樣品制備

40、按表1中各組材料的比例稱取材料，用高速混合脫泡機混合攪拌11分鐘，測量一部分制備好的漿料樣品的電阻率，另一部分用半自動涂布機涂在鋁箔上；極片干燥后，部分極片進行極片電阻率測量，部分極片用輥壓機軋制，一半極片進行極片電阻測量，一半極片用于組裝紐扣電池。

41、紐扣電池組裝在氬氣手套箱中，三元極片為正極，鋰片為負極。

42、2實驗結果及討論

43、2.1粉末水平電阻率性能分析

44、分別測試了三元材料和所用導電碳的粉末電阻率。從圖1中可以看出，隨著測試壓力的增加，三元材料和導電碳的壓實密度逐漸增加，而電阻率則下降。三元材料壓實密度為3.5 g/cm3時，電阻率約為16.7* cm，而導電碳材料壓實密度為1.0 g/cm3時，電阻率約為0.02* cm。所以在粉體層面，三元材料的電阻率是導電碳的835倍，導電碳的導電性比三元材料好很多，會影響后續(xù)漿料和極片的導電性。

45、圖1 (a)粉末壓實密度與試驗壓力的關系曲線

46、圖1 (b)粉末電阻率隨壓實密度變化的曲線圖

47、2.2泥漿和極片層面電阻率性能分析

48、圖2(b)為五組輥壓前后的極片電阻率的測試結果，從圖中可看出，無論是否經(jīng)過輥壓，極片電阻率都是隨著導電碳含量的增多而減小，這說明導電碳含量的增大會顯著提升顆粒之間的電子導通性能。

49、另外，輥壓后由于顆粒之間以及涂覆層與集流體的接觸更緊密，因此輥壓后的極片電阻率數(shù)值比輥壓前低一個數(shù)量級，這也說明輥壓會使正極極片的導電性明顯提高。

圖2.(a)五組漿料電阻率曲線圖

圖2.(b)五組極片電阻率曲線圖

2.3 扣式電池電阻性能分析

對五組經(jīng)過充放電一圈活化后的扣式電池進行交流阻抗譜測試和倍率性能測試，結果如圖3(a)、3(b)和3(c)所示。

56、在鋰離子電池體系中，阻抗譜中的中高頻率范圍，代表電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞，低頻范圍代表離子擴散[7]。

57、從圖3(b)中可以看出隨著導電碳含量從0%增加至3%時，電池的電子轉(zhuǎn)移Rs和電荷傳遞電阻Rct之和也逐漸減小，這說明導電碳的添加量對電池電阻的改善是有顯著正向作用的。

58、另外，若僅比較高頻處的電子電阻時，它會受扣式電池殼體與極片的接觸電阻的影響，前兩組的變化趨勢與導電碳含量變化不一致。

59、從圖3(c)的不同倍率放電容量保持率來看，隨著放電倍率逐漸增加至2.5 C，當導電碳含量小于1%時，電池的放電容量幾乎降到了2%，而當導電碳含量大于1.5%時，電池的放電容量依舊保持在80%以上。

60、因此，適當含量的導電碳可顯著提升電池的倍率性能。

圖3.(a)五組扣式電池的EIS曲線圖

圖3.(b)五組扣式電池的電子電阻和離子電阻曲線圖

圖3.(c)五組扣式電池的不同倍率放電保持率曲線圖

3結論

本文從粉末、漿料、極片和扣式電池四個層級，分別對五組不同導電碳含量的樣品進行電阻性能定量分析，發(fā)現(xiàn)加入比三元材料導電性好的導電碳后，漿料、極片、扣式電池的電導性能均有一定程度的提升，且適當含量的導電碳可顯著提升電池的倍率性能。

69、本文的研究，提醒電池相關研究人員在進行電池配方改善時，既可以從不同層級評估電性能，也要注意適當導電碳的含量對電池的倍率性能的影響。

原文標題：導電碳含量對電池不同層級電阻的影響

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審核

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