电极界面微观结构对固态锂离子电池性能的影响

摘要：

为了研究固态电解质(SE)孔隙率、裂纹形式以及界面接触面积对于固态电池(SLIB)的影响,利用电阻网络方法对固态电解质(SE)微观结构建模,对SLIB采用一维电化学耦合接触面积模型,建立了一维电化学与二维固态电解质电阻网络模型,并基于该物理模型进行了电化学阻抗谱(EIS)仿真分析.通过不同几何模型来表示电解质缺陷和裂纹,用电阻网络模型计算得到离子电导率,将不同的电解质电导率输入到电池模型中,预测微观结构对于电池容量以及阻抗的影响.研究结果表明,在0°～90°范围内,裂纹角度越小,对SE的电导率影响越小;为了更方便对比裂纹形状对电导率的影响,保持裂纹面积保持不变,随着裂纹长度的生长,电导率损失逐渐上升,到达极值点后,随裂纹长度增加,电导率损失开始下降;裂纹无量纲长度小于0.25时,三角形裂纹造成的电导率损失低于矩形缺陷和椭圆形缺陷;而无量纲长度大于0.25时,三角形缺陷的影响超过矩形缺陷和椭圆形缺陷;随孔隙率增加,SE电导率快速下降,近似呈线性关系.电解质缺陷导致电池的放电电压有所下降,在EIS仿真中体现为体相电阻增加.界面接触面积的损失对于电池容量的损失更为显著,且小倍率放电时,接触面积损失对于容量损失的影响显著低于大倍率放电时.不同接触面积(1.0、0.4)下,比容量下降60.08%,而在大倍率(50 C)时,γ=1.0、0.4时,比容量下降81.95%;倍率较小时,界面面积损失的影响相对较小.界面接触面积损失导致电荷转移阻抗增加,γ从1变化至0.2时,电荷转移阻抗增加25倍,接触面积每损失0.1,电荷转移阻抗平均增加118.60 Ω.与电解质缺陷相比,界面接触面积损失导致的阻抗增加更为明显.在实际应用中,界面接触面积大于0.7,电池才能保证高容量性能.研究仿真了导致SLIB阻抗增加的电解质与界面接触因素,丰富了相关研究.

关键词：固态锂离子电池、界面接触面积比值、电解质裂纹、失效机制、电化学阻抗谱模型

所属期刊栏目：12

分类号：TM911

资助基金：国家自然科学基金52076012

在线出版日期：2023-08-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：2095-2104