电极的设计与制造方法

3.0
• 电极非活性物质的组成，主要是为了改善活性物质之 间的的使电 用22..05 接寿触命性，能如，在提活高性活物性质物中质加石墨的入烯利一用定率的并添延加长剂电，池导 电剂以及粘结剂等
1.5
• 合适集1.0流体的选择，在化学体系中性质稳定，不参加 电化学0.5 反应（惰性）或反应极其微弱，例如锂离子电 池中正极使用的铝箔以及负极使用的铜箔等
每通过IA.h的电量，在阴极上 析出的物质的 克数。 对锂离子电池等来说，可以理解为理论比容 量的倒数
(-)Zn︱KOH(NaOH)︱AgO(Ag2O)(+)
（3）活性物质利用率的确定
经验值
4. 正，负极厚度的确定
网格面积
一般情况下，电极物质都是混合物，包含电活性物质，粘 结剂和导电剂。此时，物质密度按照混合密度计算
电化学性能优越 a.每循环一周期容量均匀衰减﹤0.05% 500圈，衰减小于20% b.首次放电比容量﹥135mAh/g c. 首次库伦效率﹥85% （一般要做到92-95%）
与传统概念的电极比较，用于化学电源的电极在设计上有很 大的区别，传统电极的工作界面比较简单，一般受电活性物 种扩散传输的影响相对较小。而对于化学电源来说，一般都 具有高比表面。根据上一章两相多孔电极以及气-固-液三相多 孔电极的介绍可知，结构设计是否合理对于改善浓差极化， 电化学极化以及欧姆极化，提高电池性能非常重要。
粒径大小-D50 (μm) PSD- D50 (μm) 5-12
-D10 (μm) PSD- D10 (μm) 1-5
-D90 (μm) PSD-D90 (μm) 12-25
磷酸铁锂的制备方法，统计起来，有108种 之多，但主要有固相法和液相法之分。目 前，工业上比较成熟的制备方法以固相烧 结为基础，通过调配原材料、烧结温度、 烧结次数等内容，来制备铁锂
集流体的微观结构，集流体厚度，几何形貌以及与活性 材料之间的结合力将影响电池的尺寸，内阻，倍率
宏观因素的确定步骤
1. 电池工作电压的确定
电池工作电压是由正负极的电压共同决定的。
如 钴酸锂-石墨 （LiCoO2-graphite）全电池的 的工作电压范围一般位于2.4~4.2V 之间。
2. 电池容量的计算
微观因素的优化步骤
1. 电极活性物质的合成控制 ——基础 电活性物种的颗粒度，几何形貌，比表面积，表 面改性或表面包覆主要是通过恰当的合成方法来 实现，例如化学方法合成 （颗粒一般较大，但 产量大）；水热合成，气相沉积 （包括物理和 化学），凝胶-溶胶，固相法等（可制备纳米级 颗粒以及高比表面材料）
Design and Manufacturing Method of Electrodes Used in Chemical Power Sources
电极的设计与制造工艺
张力 副教授 2012-10-17 zhangli81@suda.edu.cn
电极设计与加工的意义
电极是电池各组成部分中最核心的部件，其性能决定了电 池的工作电压，工作电流，容量，能量和循环寿命等性能。
额定容量计算 （A.h-1）是由设计要求的工 作电流和工作时间来决定
额定容量=工作电流*工作时间
3. 确定设计容量，一般情况下，为保证电 池的可靠性和使用寿命，设计容量应大于 额定容量的10%-20%，而银-锌蓄电池的 设计容量应大于额定容量的20-50%
3. 计算电池正，负极活性物质的用量
电活性物质的各项参数的要求
例如钴酸锂 用于锂离子电池正极
1、外观要求: 灰玄色粉末, 无结块 （宏观外观）
2、Hale Waihona Puke Baidu射线衍射: 对照JCDS标准( 16-427，标准比对卡号) , 无杂 相存在
3、化学成分与物化性能指标: （要求纯度高，金属杂质极低）
镍 Ni 0.05% max (wt%) 锰 Mn 0.01% max (wt%)
提高电极的组分，是是 为了最大限度提高单位 体积和单位质量上的输 出能量！
宏观因素的确定
• 电极活性物质的选择：a 组成电池的电动势高，电极 材化料学有 活长性且，平能坦自的发电进位行平反台应；的改能b 性活力石性越墨物强质，具越有好充；分c 质的量电 比容量和体积比容量大；d, 在电解液中化学以及电化 学稳定性高；e 具有好的电子导电性；f 来源广泛，价 格便宜；g 环境友好，无污染或污染低
针对不同电池的类型和反应特点，在选择和设计相应的电极 类型和材料后，就需要进一步通过优化制造工艺，来实现和 改善电极内部结构，如孔隙率，孔径，深宽比，曲折系数等， 以达到设计的工作性能指标，如工作电压，工作电流，容量， 能量和循环寿命等。
电极的设计和加工是为整个电池服务
电极的设计应体现从宏观到微观，宏观和微观结合 的原则
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微观因素的优化
电极活性物质的合成控制：电活性物种的颗粒度，几何 形貌，比表面积，表面改性或表面包覆对电池的内阻， 充放电倍率都有显著的影响，应通过恰当的合成工艺， 对这些因素加以控制。
电极非活性物质的加入优化，通过合理的搅浆工艺，对 非活性物质有效分散，粘结剂的加入量对电极结构的稳 定性非常重要，导电剂的加入可以与粘结剂共同构成稳 定的导电网络，同时粘结剂和导电剂的加入量也将决定 电极的孔隙率，孔径，深宽比，曲折系数等，决定电极 材料的利用率，电极的极化状况和工作性能
宏观上来说，电极的材料可以决定电池的整体容量， 工作电压和输出能量，因此需要针对电池的需要来 确定电极中材料的种类，质量和组成 自上而下地 确定 （Top-down）
微观上说，电极的内部结构的合理性是实现上述参 数的保证，这就与制造工艺密切相关 自下而上地决定（bottom-up)
电极在电池中的比例
铁 Fe 0.02% max (wt%) 钙 Ca 0.03% max (wt%)
钠 Na 0.01% max (wt%) 酸碱性 PH 9.5-11.5
含水量 Moisture (wt%) <0.05
比表面积( m2/g) BET surface Area (m2/g) 0.2-0.6
振实密度 (g/cm3) Tap Density (g/cm3) 1.7-2.9