电极界面微观结构对固态锂离子电池性能的影响

作者：郝增辉; 刘训良^*; 孟缘; 孟楠; 温治

来源：储能科学与技术, 2023, 12(07): 2095-2104.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0097

• 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

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118.60Ω。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。

• 单位
  北京科技大学