正极材料理论容量计算讲解学习

锂离子电池正极材料理论电容量的计算

常常看见文献上说该材料的理论电容量是多少mA h/g

下面给出理论计算方法：

1mol正极材料Li离子完全脱嵌时转移的电量为96500C（96500C/mol是法拉第常数）

由单位知mAh/g指每克电极材料理论上放出的电量：1mA·h＝1×（10^-3）安培×3600秒＝3.6C 以磷酸锂铁电池LiFePO4为例：

LiFePO4的分子量是157.756g/mol, 所以他的理论电容量是

96500/157.756/3.6=170 mA h/g

关于法拉第常数

法拉第常数（F）是近代科学研究中重要的物理常数，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。尤其在确定一个物质带有多少离子或者电子时这个常数非常重要。法拉第常数以麦可·法拉第命名，法拉第的研究工作对这个常数的确定有决定性的意义。

一般认为此值是96485.3383±0.0083C/mol，此值是由美国国家标准局所依据的电解实验得到的，也被认为最具有权威性。

最早法拉第常数是在推导阿伏伽德罗数时通过测量电镀时的电流强度和电镀沉积下来的银的量计算出来的。

在物理学和化学，尤其在电化学中法拉第常数是一个重要的常数。它是一个基本常数，其值只随其单位变化。在电解、电镀、燃料电池和电池等涉及到物质与它们的电荷的工艺中法拉第常数都是一个非常重要的常数。因此它也是一个非常重要的技术常数。

在计算每摩尔物质的能量变化时也需要法拉第常数，一个例子是计算一摩尔电子在电压变化时获得或者释放出的能量。在实际应用中法拉第常数用来计算一般的反应系数，比如将电压演算为自由能。

如何计算电池材料的理论容量值

C=26.8nm/M,n是电子数，m是活性物质质量，M是活性物质的分子量

电池的化成，有的采用常温化成，有的采用高温化成，这两种化成的优缺点：主要区别应该是SEI膜的厚度和致密程度吧，高温化成形成的SEI较厚但不致密，消耗的锂比较多，常温或低温形成的较薄切致密。

电池配方：

负极配方：CMS：CMC：SBR：Super-P＝94.5：2.25：2.25：1

电解液：1M-LiPF6 EC/DMC/EMC

负极设计比容量：300mAh/g

正极设计比容量：140mAh/g

充放电制度：1）恒流充电（1C，4.2V）

2）恒压充电（4.2V，20mA）

3）静置（10min）

4）恒流放电（1C，3.0V）

5）静置（10min）

6）循环（350周）

聚合物在溶剂中的溶解要遵循三原则（极性相似原则，溶剂化原则，内聚能密度相近原则），此三原则结合聚合物和溶剂的“溶度参数”值，是选择聚合物良溶剂的依据。PVDF/NMP原本是很好的聚合物/溶剂搭配，但NMP是高极性溶剂，与水的亲和力很好，所以极易吸潮，随着NMP中水份含量的增加，形成的NMP/水混合溶剂的“溶度参数”、极性、溶剂化能力等都发生漂移，而PVDF的相应值并无变化，PVDF/NMP粘合剂溶液体系随含水量的增加，渐渐变得不稳定，含水量达一定值时，PVDF可以从溶液中析出，在这一过程中溶液的性质，包括粘度、粘结性能等都会产生变化。向PVDF/NMP溶液中滴加水，局部形成不良溶剂环境，必会有PVDF析出。

不同的配料工艺以和相应的配方相结合，提供了一个普通配方：

LiCoO2:92% 导电石墨：2.5% 导电剂：

2.5% PVDF:

3.0%

正极活性材料80%，乙炔黑10%，PVDF10%。

企业配方：

钴酸锂94% 导电剂1% 导电剂2 % PVDF 3%

负极表面的SEI膜大致可以认为是电解液的有机溶剂被还原分解所得到的不溶性产物附着在电极表面的结果，不同的负极材料会有一定的差别，但大致认为是有：碳酸锂，烷基酯锂，氢氧化锂等组成，当然也有盐的分解产物，另外还有一些聚合物等。一般认为对于金属锂，负极在首次嵌锂时形成SEI膜，形成电压为1.5V开始（相对于金属锂），在0.8V附近大量形成，到0.2V左右基本完成。另外研究表明，首次嵌锂时为SEI膜形成的主要步骤，后序5周内都有SEI膜的形成过程，但量很少。此外SEI膜并非一成不变，在充放电过程中会有少许的变化，主要是部分有机物会发生可逆的变化。此外不同的电流密度，不同的电极表面所形成的SEI膜的组成少有差别。

正极表面的SEI膜少，以前关注很少，目前好像关注度在上升。有一种观点认为是电解液的氧化产物沉积的结果，另一种观点是由于负极表面的SEI膜部分溶解后在正极表面沉积的结果。相对来说，电解液在正极表面氧化沉积的证据不多，当然也不排除是由于量少而目前的仪器精度无法达到的情况

为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔

1、采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。

2、铜表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电，但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。

3、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。而铜箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜发生嵌锂发应。AL箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl 合金化。

4、集流体要求成分纯。AL的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。

极片重量为活性物质重量加基片(铝或者铜)重量, 正极按理论设计极片重量减去基片(铝密度2.7,铜8.9) 后的重量,得到活性物质重量,活性物质重量乘以140mAh/g(钴酸锂的),得到设计的多少mAh容量,负极容量按正极的1.05-1.1倍计算,方法一样,负极按

300-330mAh/g计算

公式：

锂离子电池理论容量＝（厚度－2*壁厚）＊（宽度－2*壁厚）*（长度－2*壁厚）/正负极加隔离膜厚度的估算值参数/100*正极设计的涂布密度参数*容量比

其中：

０．０２４４是正极设计的涂布密度，其实都差不多的

０．４５是正负极加隔离膜厚度的估算值参数

１４０容量比。

但是按上计算，063048的理论容量则只有555毫安时（厚按6.3计算），这个容量只能作废品处理了。

（6.3－0.35*2）*（30－0.35*2）*（48－0.35*2）/0.45/100*0.0244*140＝555

一般来说，天然石墨包覆的负极，不可逆容量要大一点。mcmb要好一点，这是实验的结果。还有一个，SEI膜的成膜电位是1.2～0.8V（vs Li/Li+），嵌锂电位是0.25～0v，这个电位中嵌入的锂才是可逆的。如果能让SEI膜在更高的电位下形成，它能阻止溶剂的进一步还原，减少不可逆容量，也就是在首次充电曲线中不可逆容量的极化比较大，容易下降到嵌锂平台，这样形成的可逆容量要高。SEI膜对电池的循环性能有至关重要的作用，没有良好的SEI膜，每次循环都有较大不可逆容量损失，这样的电池通常可以从电解液吸水，或电池内部存在结晶水时可以看出来。