提高鋰離子電池能量密度的有效途徑

1.引言

鋰離子電池（LIB）在二次電池中具有最高的能量密度，因而廣泛應用于3C產品、電動交通工具、儲能系統等領域。在這些應用中，要求電池體積小熱容量大，因此，提高鋰電池的能量密度成為研究和生產中的重要課題。

圖1. 鋰電池的能量密度與應用

目前，通過提高鋰電池正負極材料的振實密度，增加它們在電極中的含量，是提高電池高能量密度的有效途徑之一。鋰電池材料的振實密度與粒徑、粒徑分布及粒形等有著密切的關系，通過優化前驅體的燒結工藝和研磨流程等來提高正負極材料的振實密度。

2. 百特BT-310系列振實密度儀

圖2. BT-310系列振實密度儀

BT-310系列振實密度儀是由丹東百特研制的高精度粉體振實密度測試儀，它符合 GB/T 21354、GB/T31057、GB/T 5162以及ISO 3953和ASTM B527等國內外標準，可應用于電極正負極粉體材料的振實密度測試。圖3（a）為兩種50g磷酸鐵鋰樣品LFP-1和LFP-2隨振動次數增加體積的變化曲線，其中LFP-1振實后的體積為55.5ml，振實密度為0.9 g/cm3；LFP-2振實后的體積為46ml，振實密度為1.09 g/cm3，兩者相比相差20%。顯然，相同體積的鋰電池，用LFP-2做的將有更高的能量密度。圖3（b）為多次測試這兩個樣品振實密度的重現性，重現性偏差均低于1%，說明BT-310系列具有優良的穩定性。

圖3.（a）振實過程體積變化曲線      

     （b）百特振實密度儀的重復性

3. 兩個樣品振實密度不同的原因

同為磷酸鐵鋰的LFP-1和LFP-2，為什么振實密度值相差20%？我們來分析一下它們的粒度分布。我們采用了百特高端激光粒度儀——Bettersize3000雙鏡頭斜入射激光粒度儀，能全面接收前向、側向和后向散射光信號，擴大了測量范圍，提高了測量精度，是高精度粒度分布測試的首先儀器，為磷酸鐵鋰的質量控制、生產工藝控制和應用研究提供可靠的粒度測試手段。從圖三可以看出，兩種樣品具有相同的粒徑分布范圍，但D50有著明顯的不同，LFP-1的D50遠遠小于LFP-2的D50，從圖5的分布曲線可以看出，LFP-1內部有更多的細顆粒導致顆粒間空隙更多，振實密度較低。LFP-2內部有較少的細顆粒導致顆粒間空隙更少，振實密度較大。

圖4. Bettersize 3000 Plus激光/圖像粒度粒形分析儀

圖5. LFP-1he LFP -2的粒度分布

4.總結

粒徑和振實密度有著密切的關系，為了優化生產過程，制備高性能的鋰離子正負極材料，高精度激光粒度儀和振實密度儀是兩種不可缺少的測試儀器。