技术｜不同锂电池极片的电解液浸润速率

电池极片的电解液浸润对性能影响很大，电解液浸润效果不好时，离子传输路径变远，阻碍了锂离子在正负极之间的穿梭，未接触电解液的极片无法参与电池电化学反应，同时电池界面电阻增大，影响锂电池的倍率性能、放电容量和使用寿命。不同极片的电解液浸润情况会怎么样？

实验方法

实验装置如下图所示，装置处于惰性气体保护氛围中。电解液容器放置在可加热的升降平台上，平台升降通过电机驱动，可以精确控制位移。极片样品悬挂在电子天平上，控制升降平台使极片样品浸没在电解液中5mm。数据采集器实时记录样品重量增加数据，通过质量—时间（m—t）数据分析极片的电解液浸润速率。

电解液浸润速率测试装置示意图

理论模型

电极中的电解质润湿过程是由毛细管力驱动的自发液体吸附过程，忽略惯性和重力的影响，因此，电极中电解液重量随时间变化的关系可用修正的 Lucas-Washburn 方程描述、即公式 2-1a 和 2-1b 。

其中，t：时间；∆m：m-t 曲线中电解液的质量；ρsol：溶液密度；Ae：极片样品的横截面积；K：电解液在多孔电极的浸润速率，P：电极孔隙率；reff：电极有效孔径；γlv：电解液溶液表面张力；θ：电解液与电极接触角；η：电解液粘度。

实验测试采集到的典型质量—时间曲线如下图所示，极片浸入电解液后，表面吸收电解液，质量迅速增加。之后，电解液在电极孔隙内浸润，质量慢慢增加，电解液浸润速率主要分析这个过程的曲线求得，电解液下降离开极片后质量迅速降低，再电极表面的电解液滴落质量缓缓下降。

a ，典型的电解液浸润过程极片质量—时间曲线

b，对电解液浸润阶段的曲线进行分析，如图2-2b所示。根据公式2-1a，横坐标为时间的平方根，纵坐标为质量/（样品横截面积•电解液密度），作图。对曲线进行线性拟合，直线斜率即为电解液浸润速率K。

实验结果分析

1）正负极极片对比

正极：95%NMC，颗粒直径d50=7-10微米

负极：95%石墨，d50=6-9微米

电解液：EC:EMC=3:7，1.2M LiPF6

正负极极片分别测试了15个样品，数据分布如图2-3所示，计算平均值列入表2-1中。负极极片电解液浸润速率比正极极片大 （0.244 > 0.175），负极吸附电解液更快。

浸润速率和极片微结构关联，压汞法测试极片孔结构 ，如图2-5所示。极片种的孔可以分为两类，（I）大孔，颗粒之间的孔隙；（II）小孔，颗粒内部的孔隙。孔腔之间通过喉道联通。从图中分析计算两类孔的参数，列入表2-3，负极总孔隙率比正极大，负极平均孔径也比正极大，负极小孔占总孔比值高，孔隙联通性更好 ，图2-6是正负极极片形貌对比。因此，负极浸润速率更快。

2）极片压实密度影响

相同面密度，四种不同压实密度的负极极片孔隙率，平均孔径，浸润速率如表3-2所示。根据公式2-1b，横坐标为孔隙率*孔径的平方根，纵坐标为浸润速率，做线性拟合，拟合相关性不是特别好，如图3-3所示。

浸润速率与微观结构建立联系。图3-4是四种极片的形貌，片状石墨倾向于平行集流体排列，而且随着压实增加，这种平行排列倾向增加，如图3-8所示。

如图3-9，三个或四个大的石墨颗粒之间形成较大的孔腔，而孔腔之间通过两个平行颗粒之间的狭长通道联通，电解液先在孔腔内汇聚，然后扩散到附近的喉部。因此，电解质的润湿速率主要受联通孔腔之间的喉咙和孔腔体积控制 。

3）导电剂比例的影响

石墨负极通过改变导电剂比例控制极片微观结构，粘结剂CMC：SBR=1：1，总含量为3%，具体导电剂比例如表4-1所示。

三种极片的电解液浸润速率如表4-2所示，增加导电剂，极片孔隙率增加，孔径也增加 。5%导电剂的极片电解液浸润速率最小，这与孔结构特征有关，如图4-6所示，导电剂含量少（3%）时，活性物质颗粒之间的孔腔内几乎没有导电剂存在，随着导电剂含量增加（5%），活性物质颗粒之间的孔腔没填充着导电剂，形成了导电剂域内的细小孔隙，而导电剂进一步过量（7%）时，由于导电剂高度团聚，在孔腔内的导电剂又会形成导电剂域内的较大孔隙。导电剂内部的细小孔隙不利于电解液扩散，因此综合结果如表4-2所示。

Figure 4-6 Typical void feature in different electrode film. a, bare pore wall in 3%CB, b, microcrack between CB domain and graphite 5%CB, c, a second pore formed in the CB domain in 7%CB.

4）溶剂与添加剂对电解液浸润速率的影响

论文还讨论了溶剂与添加剂对电解液浸润速率的影响，具体结果如表5-1和5-2所示，具体揭示可以参照公式2-1b。

总结：

石墨负极的电解液浸润速率大于正极 ，这与孔隙率和孔径相关，而浸润速率还受到孔结构特征影响 ，比如孔腔之间的喉道尺寸，小孔和大孔的比例与分布等。而孔结构主要可以通过辊压工艺，材料形貌，导电剂含量等控制。

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无敌电动汽车镍氢电池和锂电池哪个好

目前大多数新能源汽车使用的都是锂电池，但仍有像丰田这样的厂商在使用镍氢电池，那么汽车的镍氢电池和锂电池哪个更好呢？让我们来了解一下两者之间的区别：

1、充电速度不同：由于锂离子的性能比较活泼，在电池内部的移动速度更快，所以锂电池充电速度也更快，而镍氢电池的充电速度则要慢很多，所需的充电时间也更长；

2、能量密度不同：锂电池的能量密度更高，可以达到160wh/kg以上，镍氢电池的能量密度只有40-70wh/kg，在同样体积下，锂电池可以为汽车提供更长的续航；

3、记忆效应不同：锂电池并没有记忆效应，可以随用随充，而镍氢电池却有一定的记忆效应，日常使用过程中需要注意不要过充过放，以免影响电池容量衰减；

4、成本不同：汽车用的锂电池，其原材料的价格比较昂贵，而镍氢电池因为很久以前就已经有了，技术相对比较成熟，所需原材料的价格也不贵，所以镍氢价格的制造成本更低；

5、自放电率不同：锂电池的自放电基本上少得可以忽略不计，虽然镍氢电池的自放电率也不高，但与锂电池相比，镍氢电池还是稍逊一筹；

6、安全性不同：锂电池的能量密度高，锂离子也比较活跃，所以其安全性能比较差，镍氢电池由于能量密度低活跃性差，所以发生自燃、爆炸等风险的几率更低，安全性也更好。

综上所述，同样是用于电动汽车的电池，锂电池的综合表现更好，这也是为什么市面上大多数新能源汽车所使用的都是锂电池。

镍氢电池的优缺点是什么？

镍氢电池的优点是技术足够成熟，电池的制造成本和难度都比较低，安全性也要优于市面上常见的锂电池；缺点就是充电速度慢、能量密度低、有一定的记忆效应、自放电率高。

虽然镍氢电池有着不少的缺点，但是由于出现得早，电池技术相当成熟，所以目前镍氢电池仍然广泛应用于专业电子设备、照明、通讯、数码产品等多个领域。

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