关于锂电池极片设计的基础知识

锂离子电池是一种高容量长寿命环保电池，具有诸多优点，广泛应用于储能、电动汽车、便携式电子产品等领域。电极极片是锂离子动力电池的基础，直接决定电池的电化学性能以及安全性。

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，均匀的涂敷在金属集流体上。锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料，如图1所示，主要由三部分组成：(1)活性物质颗粒；(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相)；(3)孔隙，填满电解液。各相的体积关系表示为：孔隙率 + 活物质体积分数 + 碳胶相体积分数 = 1 (1)

图1 极片微观结构示意图

锂电池极片的设计是非常重要的，现针对锂电池极片设计基础知识进行简单介绍。

(1)电极材料的理论容量

电极材料理论容量，即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量，其值通过下式计算：

其中，法拉第常数(F)代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol，它是阿伏伽德罗数NA=6.02214 ×1023mol-1与元电荷e=1.602176 × 10-19 C的积，其值为96485.3383±0.0083 C/mol。

例如，LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol，其理论容量为：

三元材料NCM(1/1/1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩尔质量为96.461 g/mol，其理论容量为278 mAh/g

LiCoO2摩尔质量97.8698 g/mol，如果锂离子全部脱出，其理论克容量274 mAh/g

石墨负极中，锂嵌入量最大时，形成锂碳层间化合物，化学式LiC6，即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066 g/mol，石墨的最大理论容量为：

对于硅负极，由5Si+22Li++22e- ? Li22Si5 可知， 5个硅的摩尔质量为140.430 g/mol，5个硅原子结合22个Li，则硅负极的理论容量为：

这些计算值只是理论的克容量，为保证材料结构可逆，实际锂离子脱嵌系数小于1，实际的材料的克容量为：

材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量 (3)

(2)电池设计容量与极片面密度

电池设计容量可以通过式(4)计算：

电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积 (4)

其中，涂层的面密度是一个关键的设计参数，压实密度不变时，涂层面密度增加意味着极片厚度增加，电子传输距离增大，电子电阻增加，但是增加程度有限。厚极片中，锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因，考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同，离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。

(3)负极-正极容量比N/P

负极容量与正极容量的比值定义为：

N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这主要是处于安全设计，防止负极侧锂离子无接受源而析出，设计时要考虑工序能力，如涂布偏差。但是，N/P过大时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会降低。

而对于钛酸锂负极，采用正极过量设计，电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能：高温气体主要来源于负极，在正极过量设计时，负极电位较低，更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

(4)涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中，电池极片的涂层压实密度通过式(6)计算，