在材料评估中,我们经常会制作两种电芯用于测试,然后通过对比不同样品之间的差异来选择合适的电极材料或辅材,常见的形式是纽扣电池和软包电池,然后这两类电池之间往往存在较大的性能差异,在这个时候大家往往选择相信软包电芯的数据,认为软包电芯和最终产品的形态更为接近,所以默认为更靠谱,但是事实上是这样的吗?扣电和软包电芯数据差异的源在哪里?
我们通过两篇学术论文来探究下扣电和软包的差异。
第一篇韩国Jaephil Cho【Analysis of Differences in Electrochemical Performance Between Coin and Pouch Cells for Lithium Ion Battery Applications】该团队通过制备相同成分的扣电和软包电芯,通过对比EIS和循环数据等分析阻抗变化,认为阻抗差异是两者性能不同的关键原因,从下面数据可以两者的首效非常接近。
作者通过测试不同电芯尺寸的DCR,(a)发现电芯尺寸越大,那么DCR越小,(b)解释了电芯尺寸与阻抗之间的关系,我们可以理解成,一个软包是由数量众多的N扣电并联而成,那么扣电阻抗阻抗就等于N*R软包,请注意这是一个分析数据或扣电质量的方法,如果我们想判断扣电的好坏,那么我们可以将其阻抗与电芯单体做对比。
最后通过循环测试和EIS分析,作者发现扣电的容量保持率和阻抗变化程度都比软包电芯差很多,而且拆解发现扣电负极表面存在大量的析锂现象,所以作者认为是由于扣电的阻抗是软包电池的100倍导致了两者性能的差异。
但是这个实验验证存在明显的缺陷:如果认为扣电相当于软包电芯的众多分之一,可以用并联的等效电路表示的话,扣电所处的微观状态和软包电池上的一小部分是一样的,软包上也是有很多高阻抗的地方在进行脱嵌锂电化学反应,那么得出来的结论还是应该扣电和软包的性能一致或接近才对!有没有人能够得到扣电和软包电芯数据一致的结果呢?
第二篇Jeff Dahn团队【A Guide to Full Coin Cell Making for Academic Researchers】该团队通过优化扣电制作的过程,寻找扣电质量差异的原因,通过使用真空笔,特殊BMF隔膜等过程成功制作出性能较好的扣电。
下面这两张图显示软包和扣电的循环保持率是非常接近的,所以说我们得出这样的结论,从理论上和实践上扣电和软包电池数据是应该一致的,可以具有对比性。但是两者数据100%的一致是不可能的,软包和扣电的应力状态和温度场及结构还是存在差异。
但是如果我们做的扣电数据特别差,循环20-50次后保持率就非常差的话,大概率是扣电制作过程引起的,比如说正负极片是否对齐?加入的电解液量?是否存在微短路的情况?当然了软包制作过程亦可能发生问题。
总结一下,我认为扣电和软包电池数据应该要具有可比性和一致性,如果数据缺少可比性甚至很差,要多从扣电和软包电池制作上发现问题,解决问题。