极片层数对锂离子电池性能的影响！

　　锂离子电池常用的制作方式主要有两种：卷绕和叠片。两种方式均应根据对电池的要求，设计需要的极片层数。客户一般给定电池的外形尺寸及容量要求，极片尺寸也会根据外形尺寸基本确定，但层数可通过涂覆量来调整。研究表明，涂覆量越高，电池的比能量越高。
　　本文作者通过固定电池的尺寸及容量，采用卷绕方式，分别制作15层和17层极片两种结构的电池，研究极片层数对电池性能的影响，以期为实际设计生产提供一定的参考。
　　1 实验
　　1. 1 电池设计
　　实验的研究对象为聚合物软包装锂离子电池，尺寸为4.5mm 65.0 mm 89.0 mm，额定容量5000mAh，最大充电电压4.45V。设计方案：A组15层极片，B组17层极片。
　　面密度的计算。根据电池的设计容量C及比容量C0，计算固定容量要求的电池所需活性物质的质量m：
　　根据极片面积S，计算单面活性物质的面密度ρ。
　　极片的层数决定极片的面积。为保持两种设计电池的容量一致，17层极片的面密度需要低于15层极片。
　　极片厚度的计算：
　　式(3)中：T为电池厚度；N为极片层数；Ta为正极厚度；Tc为负极厚度；Ts为隔膜厚度。
　　要保证电池设计厚度一致，17层极片的正、负极厚度均要小于15层极片，17层极片的压实密度也应更大。
　　通过设计模拟,实验电池的设计信息如表1所示。
　　1. 2 电池制备
　　将钴酸锂LiCoO2、聚偏氟乙烯PVDF和碳纳米管CNT按质量比98.5 1.0 0.5混匀，加入N-甲基吡咯烷酮NMP，制成浆料，均匀涂覆在10μm厚的铝箔上，在115 下烘烤60s，辊压、分切成设计所需正极片。
　　将羧甲基纤维素钠CMC和去离子水混合均匀，制成CMC胶液。将石墨、导电炭黑、CMC胶液和丁苯橡胶SBR按质量比96.8 0.5 1.3 1.4混匀，制成浆料，均匀涂覆在6μm厚的铜箔上，在105 下烘烤60s，辊压、分切成设计所需负极片。
　　将正、负极片及聚乙烯(PE)隔膜以卷绕的方式制成卷芯，在95 下烘烤6h后，注入1mol/L LiPF6/EC+PC+PP(质量比2 2 6) 电解液，然后在5V12A128CH聚合物电池夹具化成机上化成、封装，制成实验用锂离子电池。化成步骤为：以0.20C恒流充电5min，然后以0.30C恒流充电10min，再以0.70C恒流充电75min。
　　1. 3 性能测试
　　采用CT3002K型电池测试系统对电池进行充放电。标准充放电制度为：1.20C恒流充电至4.30V，转恒压充电至0.80C；0.80C恒流充电至4.45V，转恒压充电至0.05C，即为充满电；1.00 C恒流放电至3.00V。
　　采用BH3电子天平称量电池的质量；采用HIOKI-3561多用表测定电池的电压和内阻；采用ATMPPG200-1000 PPG高精度测厚仪测量电池的厚度；采用1010E/5000P电化学工作站对电池进行电化学阻抗谱(EIS)分析。
　　热滥用测试：采用标准充电方式充满电，满电电池放置在鼓风烘箱中，以(5 2) /min的速率升温至130 。电池在该环境下放置1h，监控表面温度、电压。要求不起火、不爆炸，无其他安全事故。
　　过充测试：采用标准放电方式完全放电，以3.00C电流恒流充电至4.66V，转恒压充电至0.01C，监控温度、电压及电流。要求不起火、不爆炸。
　　高温外部短路：采用标准充电方式充满电。将电池放置在(55 2) 的烤箱中，温度稳定30~45min后，进行短路，外接总电阻为(80 20)mΩ。要求不起火、不爆炸。
　　高低温放电：在23 下，测试电池标准容量C1，以标准充电方式充满电，分别在-10 和60 的环境下搁置2h，1.00C放电至3.00V，记录放电容量C2。
　　式(4)中：Rdis为放电率。
　　倍率测试：在室温下采用标准充电方式充满电，分别以0.20C、0.50C和1.00C放电至3.00V，并记录放电容量。
　　循环测试：分别在(23 2) 以及(45 2) 的环境下进行标准充放电。充、放电之间间隔5min，首次及每项实验均使用3只电池进行平行测试。每100次循环，以0.20C放电，测定一次容量。
　　2 结果与讨论
　　2. 1 质量差异
　　15层和17层极片设计，正负极料、正负极耳、保护胶带、铝塑膜质量均一致，质量差异主要在于正负极箔材、隔膜和电解液。
　　15层和17层极片设计主要的质量差异见表2。
　　从表2可知，15层、17层极片电池的设计质量分别为64.690g、65.647g，质量差为0.957g，其中负极、正极和隔膜的质量差分别为0.566g、0.278g和0.164g。层数增加导致用量增加，因此，这3项指标，17层极片电池的质量更大。17层极片电池的保液量相比15层极片电池略低，主要是因为负极压实密度提升，电池的吸液能力下降。
　　2. 2 内阻差异
　　两种设计电池的EIS见图1。从图1可知，15层极片电池的固体电解质相界面(SEI)膜阻抗(RSEI)及电极极化阻抗(Rct)明显比17层极片电池大。15层极片电池因箔材层数减少，SEI膜的面积也较小，化成电流及时间一定时，单位面积所形成的SEI膜更厚，因
　　此RSEI更大。15层极片电池的涂覆量较高，Li+传递的距离更长，因此Rct更大。
　　两种设计电池的直流内阻(DCIR)见图2。从图2可知，17层极片电池的DCIR小于15层极片电池，主要原因是极片的面密度较大。总体来讲，17层极片电池的动力学性能更好。
　　2. 3 安全影响
　　两种设计电池的安全测试结果见图3。从图3可知，15层、17层极片电池的表面最高温度，在热滥用测试时分别为134.1 、131.7 ，降低了2.4 ；在过充测试时分别为105.6 、91.2 ，降低了14.4 ；在高温外部短路测试时分别为116.7 、110.0 ，降低了6.7 。17层极片电池的极片面积更大，散热性能更好，电池温升小，热失效概率低，因此，增加层数可改善电池的安全性能。
　　2. 4 高低温性能
　　两种设计电池的低温(-10 )和高温(60 )1.00C放电性能见表3。从表3可知，15层、17层极片电池的高温放电率均值分别为104.12%、105.06%，低温放电率均值分别为72.64%、67.22%。17层极片电池的高温性能提升了0.94%，低温性能降低了5.42%。这是由于15层极片电池的极片面密度大，低温下的1.00C放电产热比17层极片电池多。
　　2. 5 倍率性能
　　两种设计电池的充电时间见表4，倍率性能见图4。从表4、图4可知，17层极片电池的充电时间及倍率性能有一定的优势。15层、17层极片电池以0.50C放电的容量分别为0.20C时的97.5%、97.7%；以1.00C放电的容量分别为0.20C时的93.6%、94.9%。
　　厉运杰等认为，极片会影响锂离子电池的内阻，极片越短，内阻越小。17层极片电池结构的面密度小，但极片更长，电池内阻也较大。这表明，在同一尺寸及容量设计的情况下，面密度对电池性能的影响大于极片长度。
　　2. 6 循环性能
　　两种设计电池的循环性能见图5。从图5可知，两种电池在循环性能方面无明显差异，原因是正负极压实密度均在材料的可承受范围内。
　　图 5 两种设计电池的循环性能
　　2. 7 制造良率
　　17层极片电池因为箔材、隔膜更多，需要提升极片的压实密度，才能保持与15层极片电池一致的总厚度。将压实密度从1.68g/cm2提升至1.73g/cm2，会提高对负极的制造要求。随着负极压实密度增大，电池的保液量将下降(见表2)，说明 17层极片电池的制造难度高于15层极片电池。
　　3 结论
　　层数越多，锂离子电池的质量越大，比能量越小，主要是正负极箔材、隔膜以及电解液质量的变化所致，其中负极箔材的影响最大。
　　层数越多，电池的内阻越小，17层极片电池的动力学性能有所提升。高层数设计对于电池的安全性能有明显的改善，与15层极片电池相比，17层极片电池的高温外部短路最高温度可降低6.7 ，过充最高温度可降低14.4 ，热滥用最高温度可降低2.4 。层数对电池的高低温放电性能有明显的影响，层数越多，电池的低温放电性能越差，高温性能越好，与15层极片电池相比，17层极片电池的低温性能下降5.42%，高温性能提升0.94%。两种层数设计电池的循环性能无明显差异，原因是设计均在材料的可承受范围内。17层极片电池因箔材和隔膜用量增加，导致制造难度加大。
　　目前常用的两种面密度各有优劣，在设计时不必一味追求低面密度。面密度过低会导致部分性能下降，稍高的面密度可在保证性能的前提下降低电池的设计生产难度，产品开发工程师要在设计初期，根据客户的需求进行取舍。
　　文献参考：赵彦孛, 胡蝶, 刘艺琳,等. 极片层数对锂离子电池性能的影响[J]. 电池, 2022, 52(5):4.