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锂电池极片导电渗流理论

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锂离子电池实际极片中,活性物质尤其是正极材料电子导电性能相对较差,电子传输路径主要通过导电剂路径来实现,因此电池制造过程中需要加入导电剂,主要作用是提升电子导电性能。导电剂在活性物质颗粒之间,活性物质颗粒与集流体之间起到传导电子、收集微电流的作用,从而降低电极的接触电阻,有效降低电池的极化现象。

导电网络的形成依赖于导电剂在电极中的分布和形态。导电网络逾渗流理论模型可以用于预测和计算在特定浓度下形成连续导电网络的概率,从而为制备具有优异电导性能的复合材料提供了理论基础。

渗流理论最初被用于分析无序系统中全局连通性开始附近的物理现象。几何渗流转变(渗流阈值)定义如下:次要相(即填料)的颗粒相互接触,并且连续的团簇延伸到整个系统。

这种渗流理论可以用于解释非均相多组分的物理性质,比如导电性或导热性等。当填料含量接近该阈值时,复合材料的物理性能发生剧烈的非线性变化,如图1所示。比如导电-绝缘转变附近的系统输运特性可以用幂律关系表示:

图1   渗流理论与复合材料在渗流阈值fc附近的输运性能的非线性变化 (蓝色线),插图显示了复合材料微观结构中填料的几何形貌。


当fv < fc时,电导率与填料含量的关系为:
     

当fv>fc时,电导率与填料含量的关系为:

其中 fv是导电第二相的体积分数,fc是渗流阈值,t是导电区的临界指数,s是绝缘区的临界指数。
通过应用这一理论,我们可以优化电极配方,确保导电剂的含量既能保证良好的电导性,又能避免过量添加导致的成本增加或性能下降。在电极材料中,零维的颗粒状导电剂虽然易于在活性物质表面均匀分散,有利于形成局部的电子通路,但在电极厚度方向上不利于形成连续的电子传输通道。一维纤维状导电剂则相反,它们难以与活性物质形成紧密接触,局部电子传导能力较差,但它们的长链结构有助于长程电子传导。二维片状导电剂如石墨烯,具有高电导率和超薄结构,能够通过“面-点”接触有效提升电极的电子传导性能。

因此,通过结合使用不同结构的导电剂,可以充分利用各自的优点,构建出更加完整和高效的导电网络。

参考文献:Qinghui Jiang, Junyou Yang, Peter Hing and Haitao Ye,Recent advances, design guidelines, and prospects of flexible organic/inorganic thermoelectric composites,Mater Adv 2020,1,1038-1054.


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来源:锂想生活
复合材料非线性电子理论Electric材料储能
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首次发布时间:2025-07-22
最近编辑:3月前
堃博士
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卷绕电芯设计实例

这是2013年初设计的一款卷芯,当时的主要目的是验收购买的全自动卷绕机设备的精度和功能。当时刚入行不久,对电池的理解还不透彻,设计方案分享出来,欢迎大家讨论:卷芯为什么铝箔收尾,而不是隔膜?卷芯极耳为什么不设计成中线对称,而是偏置在同一侧边?卷芯设计方案如下:1、来料规格1.1、极片规格正、负极片详细规格如图1所示,采用间隙涂布方式,A\B两面有部分单面涂层的位置,正、负极来料方式见图2。图1正、负极极片规格图2正、负极来料方式1.2、极耳规格极耳尺寸见图3,极耳焊接位置如图1所示。图3极耳尺寸图2、卷绕方式隔膜、正、负极极片卷绕插入方式及插入量如图4所示。电芯卷绕时,为了防止正极扩散过来的锂离子在负极有对应场所接纳嵌入晶格,负极必须全部包裹正极,并有一定尺寸余量。同时为了避免短路,隔膜必须包裹负极。因此,如图4所示,卷绕电芯在长度方向必须保证负极具有余量,隔膜包裹负极。极片相对位置非常关键。另外,正负极之间的相对位置这些尺寸受到极片涂布规格、卷绕工艺等影响。图4电芯卷绕极片、隔膜插入方式另外,在极片宽度方向上,负极也需要超出正极一定余量,隔膜超出负极一定余量。宽度方向的对齐度直接由卷绕工艺精度决定,精度高时,余量尺寸可以更小,电池能量密度更高。但是,电池安全性系数降低,必须确保工艺精度,否则对电池存在巨大安全隐患。卷芯每层极片的对齐度一般采用X-射线全部检测,当正负极之间的宽度相对尺寸不满足要求时设备自动报警剔除不良品。隔膜和极片的宽度相对位置如图5所示。隔膜包住负极两侧各多出1mm,负极包住正极,两侧各多出1mm。图5隔膜和极片的相对位置3、胶带粘贴及极片裁剪间隙涂布的极片需要根据电池设计确定对应的极片规格,例如间歇尺寸,A、B两面的错位设计等。卷绕时,极片切断位置正确才能保证极片规格正常,形成正确的卷芯。因此,电芯卷绕时,也需要检测极片规格是否正常,极耳焊接位置是否正确。正负极胶带粘帖要求如图6所示,胶带粘贴主要包括涂层边缘胶带,极耳保护胶带等。确定卷绕工艺时,这些参数同样需要一一确定。图6正负极粘贴胶带方式4、电芯外形尺寸卷绕完成,电芯外形尺寸如图7所示,终止胶带粘帖见图7。尺寸包括高度H,宽度G,厚度T,胶带宽度E和位置F,极耳位置A、B、C、D等。这些尺寸可以直接测量,和卷绕工艺以及设备精度相关,具体数值见表2。表2电芯外形尺寸编号ABCDEFHGT尺寸,mm32121252520121663.4图7电芯外形图及其尺寸最终实际卷绕的卷芯如图8所示,可惜当时测量卷芯的所有详细尺寸没有找到。图8电芯实物这款卷芯两个特别的地方是:卷芯最终以铝箔卷绕一圈收尾,不同于常见的隔膜卷绕收尾。当时的设计想法是验证卷绕机能否实现这种非常规的卷绕功能。大家觉得相比于隔膜收尾,铝箔收尾还有什么优劣?卷芯极耳比较靠近,不是中线对称的设计,而是在顶边的一侧。当时的设计想法是验证卷绕机能否实现这种特殊设计的尺寸要求。另外,这种极耳设计满足一些特殊使用场景。大家怎么看?来源:锂想生活

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