以碳粉為負(fù)極材料制備鋰離子電池及電池性能測試

趙 君，單琬斐，夏心貝，王 旗

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

近年來，隨著集成電路和電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種便攜式電子設(shè)備（如手機、筆記本電腦等）逐漸得到推廣普及，對化學(xué)電源的小型化和高能化提出了更高要求。自1990年日本SONY公司率先推出不含鋰金屬的商品化可充鋰離子電池以來，鋰離子電池因其優(yōu)良的電化學(xué)性能而成為化學(xué)電源研究領(lǐng)域的熱點之一，引起了世界各國的廣泛關(guān)注和研究開發(fā)。與傳統(tǒng)的化學(xué)電源如堿性鋅錳電池和鉛酸電池等相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、自放電率低、循環(huán)性能好等優(yōu)點，其應(yīng)用前景十分廣闊，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)鋰離子電池技術(shù)將是發(fā)展迅猛的可充放二次電池。

電極是鋰離子電池的核心部件，而電極材料是決定鋰離子電池綜合性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，研究高性能電極材料對高性能鋰離子電池的研究和應(yīng)用具有重大意義，高穩(wěn)定性、高安全性、長壽命、低成本的新型鋰離子電池負(fù)極材料顯得尤為重要。本文利用碳為鋰離子電池負(fù)極材制備了鋰離子電池，并測試分析了性能。

1 實驗內(nèi)容與步驟

1.1 鋰離子電池的組裝

按801010（wt%）稱取所制備的活性物質(zhì)碳、乙炔黑、粘接劑CMC，先將CMC溶解在去離子水并充分?jǐn)嚢?，將碳、乙炔黑混合研磨后，加入到CMC溶液中，充分混合調(diào)至糊狀后將其均勻地涂布在銅箔上，然后于真空干燥箱中80℃干燥12h后取出，裁成直徑為15mm的圓片。

以金屬鋰片為正極，Celgard2400微孔聚丙烯膜為隔膜，以泡沫鎳為支撐材料，以1mol/L LiPF6/EC＋DMC＋EMC（111體積比）為電解液，在充滿氬氣的手套箱中組裝成CR2016型扣式電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池靜置一段時間即可測試。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖

1.2 鋰離子電池充放電性能的測試

（1）采用恒流充放電的模式對電池的充放電性能測試，測試儀器采用科晶八通道電池性能測試系統(tǒng)；

（2）置實驗參數(shù)：

鋰離子電池：以C/6（每6小時半循環(huán)）恒流放電至0.01V，同樣電流恒流充電至3V，循環(huán)次數(shù)設(shè)為30次；

圖2 電池充放電電壓－時間曲線

圖3 電壓－容量曲線

2 電池性能測試的結(jié)果及分析

圖2顯示的是電池在電壓為0.001～3.0V之間，充放電速率是C/6下，電池的循環(huán)性能曲線。說明碳作為鋰電池負(fù)極在橫流充放電下的循環(huán)性能穩(wěn)定。圖3所表示的是電池在第一、第二、第五、第三十次充放電的電壓－比容量關(guān)系圖。從放電曲線可以看出，該電池初始放電容量1341mAh，在第二次、第五次和第五十次放電時，可逆容量分別為1285mAh/g、1205mAh/g和1137mAh/g。

圖4是電池的放電容量和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖。隨著充放電次數(shù)的增加，電池的放電容量逐漸下降。但是，雖然經(jīng)過了50次的充放電，電池的放電容量仍然保持在1137mAh。由此可見，碳作為鋰電池負(fù)極的優(yōu)越性。

圖4 循環(huán)性能曲線

圖5 效率曲線

圖5 是電池在C/6時的庫倫效率和循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖，從圖中可以看出，除了第一次充放電的庫倫效率略低一點外，在之后的充放電循環(huán)中，該電池的庫倫效率都很高，約為98%～100%。初始庫倫效率略低的原因可能與SEI的形成有關(guān)。

根據(jù)以往的報道以及以上的結(jié)果及討論，以碳為負(fù)極的鋰電池反應(yīng)式：

碳材料的優(yōu)點是具有高比容量（300mAh·g－1～400mAh·g－1），低的電極電位（＜0.5Vvs.Li/Li＋），高的循環(huán)效率（＞95%），長的循環(huán)壽命。層狀結(jié)構(gòu)，非常適合Li＋的嵌入和脫出。碳材料是目前的鋰離子電池的主要負(fù)極材料。

3 結(jié) 論

文章以碳為負(fù)極材料，涂膜制備了負(fù)極片，以鋰片為正極片制備了CR2016鋰離子電池，并對其性能進行了測試。制備電池可逆容量為1342mAh，循環(huán)50次后，容量下降為1137mAh，平均每個循環(huán)下降0.31%。驗證了碳為鋰離子負(fù)極材料電池容量大，循環(huán)性能好、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

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