常用锂电池参数、设计、计算公式及应用解析

一、锂电池设计及计算公式

（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。

故而，主流的材料理论容量计算公式如下:

LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol，其理论容量为：

同理可得：

三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩尔质量为96.461g/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。

（2）电池设计容量:

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。

其中，面密度是一个关键的设计参数，主要在涂布和辊压工序控制。

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）N和P比:

负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷（正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比）。

石墨负极类电池N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这主要是出于安全设计，主要为了防止负极析锂，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计算公式：

而考虑到极片辊压时，金属箔材存在延展，辊压后涂层的面密度通过下式计算：

涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成，孔隙率计算公式：

其中，涂层的平均密度为：

（5）首效：

首效=首次放电容量/首次充电容量。

日常生产中，一般是先化成再进行分容，化成充入一部分电，分容补充电后再放电，故而：

首效=分容第一次放电容量/（化成充入容量+分容补充电容量）。

（6）能量密度：

体积能量密度(Wh/L)=电池容量(mAh)×3.6(V)/（厚度(cm)*宽度(cm)*长度(cm)）质量能量密度(Wh/KG)=电池容量(mAh)×3.6(V)/电池重量。

二、常用锂电术语中英对照

本文发布于:2024-09-22 18:23:48，感谢您对本站的认可！

标签：容量负极设计增加电池

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