NCM622电极厚度和孔隙率对锂电池性能的影响

锂离子电池(LIBs)在目前的纯电动或混合电动汽车中，已经成为最具吸引力的动力来源，但事实上，由于续航焦虑、快充能力不足以及一系列安全问题，使得客户的接受度依然很低。将没有电化学活性的材料比例降低，是一个增加电池能量密度的好方法，例如，可以通过减少活性粘合剂和导电剂的比例来改变电极组成，可以变相的增加电化学活性材料含量。此外，还有两个个比较好的优化方法，一个是增加电极厚度来提高全电池的能量密度，另一个是降低电极的孔隙率，这样可以减少电池中的电解液含量，变相的增加活性材料百分比。目前，已经有部分研究人员探究过一些极材料的电极厚度效应以及电极孔隙率的优化，例如LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiFePO4等材料。在这些研究中，都告诉我们电极的不同厚度和孔隙率会极大的影响电池的倍率能力。据作者所知，只有Appiah (J. Power. Source. 319 (2016) 147–158)和Gallagher (J. Electrochem. Soc. 163 (2015)A138–A149)两个课题组研究过LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM-622)正极的厚度和孔隙率。基于多孔电极理论，他们利用不同厚度和孔隙率对相关电池特性参数建立理论模型，并通过模拟计算揭示了电极的厚度和孔隙率，对电池倍率性能结果的电荷传输和传质过程影响。但是，以上研究都过分集中在仿真LIBs优化上，而关于厚度和孔隙对电池电荷传输限制的实验性见解基本没有。因此，在本文中，德累斯顿工业大学C. Heubner等人研究了电极的不同设计对NCM-622正极电化学性能和锂脱嵌动力学的影响。在实验设计中，作者制备了不同厚度和孔隙率的NCM-622正极材料，对其倍率性能进行了分析，然后利用电化学阻抗谱研究了电极的极化行为。最后，作者建立了一个更加优化的数学模型来计算锂离子在电解质中的扩散极限。【研究内容】电极制备：正极选择为市售LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM-622) (BASF)粉末，炭黑(Super P)和聚偏氟乙烯(PVDF)分别作为导电剂和粘结剂，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂。集流体为铝箔，其宽度为340mm，厚度为30μm，质量为8.05mg/cm2。电极中的含量比为NCM-622/炭黑/PVDF=91.4/4.4/4.2wt.%。电极厚度用Käfer, FD 200/25百分计测试得出，精确度为±3 μm。电极的孔隙率ε由下式算出：上式中mareal，ω和ρ分别为电极负载、质量分数、以及密度，其中活性材料为AM、粘合剂为B、导电剂为CA。在上表中，作者给出了所制备的电极的不同参数标称值。上图表示NCM-622正极在不同厚度（图a）不同孔隙率时（图1b），于0.1C倍率下的充放电曲线。可以看到，实验获得的比容量与理论值(165mAh/g)几乎相等，这表明活性材料已完全利用。在如此低的倍率下，不同电极之间的容量差异很小，电压平台差异也很小，当电极厚度较大时，电压平台在充放电过程中，略有增加和降低，这表示较厚电极的极化现象更大。上图显示了不同厚度（图a）和孔隙率（图b）下的NCM-622正极速率性能测试结果。正如预期的那样，电极容量随着倍率的增加而减少，随着电极厚度的增加和孔隙率的降低，这种效应变得更加明显。例如，当电极厚度从128μm增加到212μm时，在1.0C下的容量从120mAh/g减少到40mAh/g（图a）；当多孔性从45%降低到34%，在1.0C下的容量从106mAh/g降低到64mAh/g（图b）。图1、图2中的容量单位用mAh/g表示，然而，从工程学角度看，基于整个电池的重量或体积容量更具有说明性。因此电池中除了活性材料外，还包括粘合剂、导电剂、隔膜、集流体和液体电解质等，这些额外的质量和体积对电池的能量密度有着决定性作用。如果单单看活性材料的质量，具有高孔隙率和薄厚度的的电极，可能表现出最优异的倍率性能，但是如果考虑到集流体和隔膜等附加质量，能量密度将会大幅降低，而在评估电极或电池性能时，必须考虑这些附加质量。因此，作者在文章中计算全电池的比容量和能量密度时，不是仅仅考虑了正极活性材料的部分，而是将电极、隔膜、集流体甚至类似面积容量的石墨负极综合起来计算（上图）。可以看到，增加电极厚度和减少孔隙率，电池在低倍率下的容量会更高，但是，随着充放电倍率的增加，厚度更薄和孔隙率更高的电极表现出更优越的性能，这是由于高倍率下，薄厚度和高孔隙率的电极具有更快的转移动力学和传质特性。为了进一步了解电极不同参数对电池反应动力学和传质的影响，作者对电池进行了电化学阻抗谱(EIS)测试。如上图所示，作者比较当电位在3.9 V时，不同厚度（图a）和孔隙率（图b）的Nyquist图。为了更明显的对比，作者将电池欧姆电阻产生的阻抗设置为零。Nyquist图在高频和中频区显示出两个半圆，而在低频区则显示出一条倾斜的直线，其中第一个半圆通常归因于活性材料和集流体之间的接触电阻，第二个半圆通常为SEI界面处的电荷转移，而低频区的直线为活性材料和/或液体电解质中的锂离子扩散。显然，电极的厚度和孔隙率不同，将严重影响阻抗曲线，为了对阻抗进行量化，作者拟合了一个等效电路（图b），以表示上述不同的电荷传输过程。在上图中，作者将通过拟合电路获得的阻抗数据进行对比，图a为不同厚度电极的比阻抗，图b为不同放电倍率下获得的比容量。正如预期的那样，由于电荷传输的横截面积较大，电解质电阻随着孔隙率的增加而降低，同时由于更高的质量负载导致更长的传输路径，电解质电阻随电极厚度的增加而增加。当比较图a和图b时，可以看出倍率性能与比电阻有关，可以看出，增加电极的厚度会导致更大的比电阻和更低的倍率性能，对于相同的电极厚度，比电阻随着孔隙率的增加而增加，因此倍率性能得到改善。在分析阻抗的时候，需要考虑到两种不同的影响：1）活性颗粒与集流体的接触，2）电极中的活性粒子和粒子接触（上图）。在极片的辊压过程中，电极厚度和辊压力对总接触电阻的贡献可能不同，从而导致接触电阻与不同参数之间的复杂关系。随着孔隙率的增大和电极厚度的减小，比电荷转移电阻也随之减小。并且从上图的横截面扫描电镜图像中也可以看出，较高的辊压力甚至导致二次粒子的变形和开裂。上图a为NCM-622正极不同厚度和孔隙率的DLC（diffusion-limited C-rate）拟合图。可以看到，随着厚度的增加和孔隙率的降低，DLC明显降低，例如，S1电极的DLC (L=129μm, ε=43%)约为1.0C，而S9电极的DLC(L=212μm, ε=34%)约为0.2C。为了评估锂离子扩散限制对电极性能的影响，作者对单个电极的DLC进行了倍率性能测试，上图b和c显示了不同NCM-622电极相对于所应用的倍率（图b）绘制并归一化到DLC（图c）时获得的相对容量。在图b中，可以根据厚度和孔隙率的差异，明显观察到电极的倍率性能的不同，且随着厚度的增加和孔隙率的降低，倍率能力明显降低。而图c中的相对容量，则没有什么差异。当倍率低于DLC时，电池容量接近理论值；当倍率高于DLC时，电池容量将显著降低，这表明，在高倍率下，DLC以及锂离子在电解质中的扩散是一个限速过程。为了说明电池的不同设计参数对可获得能量和功率密度的影响，作者根据实验结果绘制了Ragone图。在上图中，显示了重量和体积能量密度和功率密度的关系。由上图可以得出，对于低功耗应用，例如传感器等，可以通过增加电极厚度和减少孔隙率来提高能量密度；而对于高功率应用，例如电动汽车，则电极越薄、孔隙率越高越有利。【文章结论】在本文中，作者制备了不同厚度和孔隙率的NCM-622正极，对其倍率性能进行了分析，利用电化学阻抗谱研究了极化行为，并且建立了一个数学模型来估计锂离子在电解质中扩散极限的影响。通读全文，可以得出以下主要结论：在降低电解质中的接触电阻和有效锂离子扩散率的同时，降低电极的孔隙率将增加电池的比电阻和电荷转移电阻。电极厚度的增加将增加比电阻、电荷转移和接触电阻，同时降低电解质中锂离子的有效扩散率。在低倍率下，电化学性能与比电阻、电荷转移和接触电阻有关；而在较高倍率下，锂离子在电解质中的扩散成为限制过程。因此，增加电极厚度和降低NCM-622正极的孔隙率可以适度增加能量密度，但会显著降低倍率性能和功率密度。C. Heubnera, A. Nickol, J. Seeba, S. Reuber, N. Junker, M. Wolter, M. Schneider, A. Michaelis, Understanding thickness and porosity effects on the electrochemical performance of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2-based cathodes for high energy Li-ion batteries, Journal of Power Sources, 419 (2019) 119–126, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.060