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常用锂电参数计算公式

2019-07-25 20:42:40        0

(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/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=(化成充入容量+分容补充电容量)/分容第一次放电容量


(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