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提高锂离子电池能量密度的有效途径

2022-05-05

1.引言


      锂离子电池(LIB)在二次电池中具有最高的能量密度,因而广泛应用于3C产品、电动交通工具、储能系统等领域。在这些应用中,要求电池体积小热容量大,因此,提高锂电池的能量密度成为研究和生产中的重要课题。

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图1. 锂电池的能量密度与应用


      目前,通过提高锂电池正负极材料的振实密度,增加它们在电极中的含量,是提高电池高能量密度的有效途径之一。锂电池材料的振实密度与粒径、粒径分布及粒形等有着密切的关系,通过优化前驱体的烧结工艺和研磨流程等来提高正负极材料的振实密度。


2. 百特BT-310系列振实密度仪

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图2. BT-310系列振实密度仪(点击图片了解产品详情)


      BT-310系列振实密度仪是由丹东百特研制的高精度粉体振实密度测试仪,它符合 GB/T 21354、GB/T31057、GB/T 5162以及ISO 3953和ASTM B527等国内外标准,可应用于电极正负极粉体材料的振实密度测试。图3(a)为两种50g磷酸铁锂样品LFP-1和LFP-2随振动次数增加体积的变化曲线,其中LFP-1振实后的体积为55.5ml,振实密度为0.9 g/cm3;LFP-2振实后的体积为46ml,振实密度为1.09 g/cm3,两者相比相差20%。显然,相同体积的锂电池,用LFP-2做的将有更高的能量密度。图3(b)为多次测试这两个样品振实密度的重现性,重现性偏差均低于1%,说明BT-310系列具有优良的稳定性。


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图3.(a)振实过程体积变化曲线      

     (b)百特振实密度仪的重复性



3. 两个样品振实密度不同的原因


      同为磷酸铁锂的LFP-1和LFP-2,为什么振实密度值相差20%?我们来分析一下它们的粒度分布。我们采用了百特高端激光粒度仪——Bettersize3000双镜头斜入射激光粒度仪,能全面接收前向、侧向和后向散射光信号,扩大了测量范围,提高了测量精度,是高精度粒度分布测试的首先仪器,为磷酸铁锂的质量控制、生产工艺控制和应用研究提供可靠的粒度测试手段。从图三可以看出,两种样品具有相同的粒径分布范围,但D50有着明显的不同,LFP-1的D50远远小于LFP-2的D50,从图5的分布曲线可以看出,LFP-1内部有更多的细颗粒导致颗粒间空隙更多,振实密度较低。LFP-2内部有较少的细颗粒导致颗粒间空隙更少,振实密度较大。

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图4. Bettersize 3000 Plus激光/图像粒度粒形分析仪


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图5. LFP-1he LFP -2的粒度分布


4.总结


      粒径和振实密度有着密切的关系,为了优化生产过程,制备高性能的锂离子正负极材料,高精度激光粒度仪和振实密度仪是两种不可缺少的测试仪器。