直封式工藝制備18650型LiMn2O4鋰離子電池

韋俊紅，張培彥，楊 濤，楊 瑞(1.河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南新鄉(xiāng)45007；2.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450009；.河南能馳電源有限公司，河南新鄉(xiāng)45007)

直封式工藝制備18650型LiMn2O4鋰離子電池

韋俊紅1,3，張培彥2,3，楊 濤3，楊 瑞3(1.河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007；2.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450009；3.河南能馳電源有限公司，河南新鄉(xiāng)453007)

分別以LiMn2O4和石墨作為正負(fù)極活性材料，用直接封口方式制備了圓柱18650型1 400 mAh鋰離子電池。結(jié)果表明，與采用半敞開方式制備的電池相比，該制備工藝不但縮短了電池的制作周期，降低了制造成本，同時(shí)也解決了電池殼體表面銹蝕的問題。

鋰離子電池；LiMn2O4；直接封口工藝；制備；性能

圓柱18650型LiMn2O4電池產(chǎn)業(yè)化至今，雖然在電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)已經(jīng)積累了很多成熟經(jīng)驗(yàn)，但生產(chǎn)工藝仍具有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

本文作者調(diào)整工藝，在電池注液后采用直封式工藝[1]，制備了圓柱18650型1 400 mAh鋰離子電池，并對(duì)電池的性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。箔(廣東產(chǎn)，工業(yè)級(jí))的上下表面。將正極按照620±5mm×55-5mm的尺寸裁切后，碾壓至0.168+0.002mm厚，將負(fù)極按照663±5mm× 57-0.5mm的尺寸裁切后，碾壓至0.110+0.002mm厚。在120和100℃下，將正、負(fù)極極板分別真空(真空度為-0.08～-0.10 MPa)烘烤6～8 h和9～12 h，與尺寸1 310±5mm× 59-0.5mm，厚度0.025 mm的隔膜(日本產(chǎn))卷繞成電芯。

1.2 電池制備

電解液為L(zhǎng)B-3571功能型電解液(江蘇產(chǎn)，工業(yè)級(jí))，每只電池的注液量為(5.60±0.10)g。

半敞開式工藝：用機(jī)械固定方式首次封口，在(23±2)℃、RH≤ 16%下擱置12～24 h[1]。分別以0.05、0.10恒流充電2.0和5.0 h，完成充電后將電池完全封口，封口結(jié)束擱置3～4 h后以0.5充電到4.2 V，轉(zhuǎn)恒壓4.2 V截止電流20 mA，擱置10 min，轉(zhuǎn)0.5恒流放電到電壓3.0 V，擱置10 min。0.5充電回充至4.2 V，限制電壓4.2 V，限制時(shí)間70 min。擱置10 min。按照化成工藝循環(huán)3次，最后一次循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行分選容量。測(cè)試結(jié)束后，電池均以0.50恒流充電至4.2 V回充。電池容量為1 499～1 521 mAh，均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)1 400 mAh的目標(biāo)，電池沒有防爆片斷開、低壓、漏液等不良現(xiàn)象。共計(jì)生產(chǎn)出50只電池，46只合格。

直封式工藝：用機(jī)械方式對(duì)注液后電池完全封口，在

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料和電極制備

正極漿料組成為質(zhì)量比93∶3∶4∶48的LiMn2O4(新鄉(xiāng)產(chǎn)，工業(yè)級(jí))、石墨(瑞士產(chǎn)，工業(yè)級(jí))、聚四氟乙烯(上海產(chǎn)，工業(yè)級(jí))及N-甲基吡咯烷酮(南京產(chǎn)，工業(yè)級(jí))；負(fù)極漿料組成為質(zhì)量比95.0∶2.0∶6.0∶180.0的石墨(深圳產(chǎn)，工業(yè)級(jí))[羧甲基纖維素鈉(廣東產(chǎn)，工業(yè)級(jí))+羧基丁苯乳膠(固含量48%～52%，日本產(chǎn)，工業(yè)級(jí))]及去離子水。

按單面面密度21.7和7.7 mg/cm2分別將正、負(fù)極漿料涂覆在0.020 mm厚的鋁箔(上海產(chǎn)，工業(yè)級(jí))和0.012 mm厚的銅(23±2)℃下擱置8～10 h[1]。以0.05、0.10和0.50恒流充電4.0、4.0和4.0 h，然后以0.5恒流充電4.2 V，轉(zhuǎn)4.2 V恒壓，截止電流20 mA，擱置10 min后，以0.50恒流放電至3.0 V；再擱置10 min。按化成工藝循環(huán)2次后，以0.50充放電，分選容量。測(cè)試結(jié)束后，電池均以0.50恒流充電至4.2 V回充。電池容量為1 490～1 512 mAh，均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)1 400 mAh的目標(biāo)，電池沒有防爆片斷開、低壓、漏液等不良現(xiàn)象。共計(jì)生產(chǎn)出54只電池，53只合格。

1.3 電池性能檢測(cè)

2 結(jié)果與討論

2.1 電池的常規(guī)性能

從表1可知，擱置前半敞開式制備的電池，容量平均值低10 mAh，內(nèi)阻平均值低2.5 mΩ。擱置30 d直封式制備的電池電壓低0.12 V，荷電保持率低0.7%。擱置30 d后，以0.5充放電對(duì)兩種電池容量檢測(cè)，測(cè)試不可逆容量恢復(fù)情況，兩者之間差17 mAh，且容量都有不可逆損失現(xiàn)象。

表1 兩種工藝制備的電池的基本性能

注：本文作者針對(duì)電池不同電態(tài)存放，對(duì)容量不可逆損失做了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電池3.0 V下擱置45 d后容量不可逆損失率3.14%～3.86%；電池4.2 V下擱置45 d后容量不可逆損失率4.45%～5.1%；電池45℃下4.2 V擱置6 d后容量不可逆損失率3.55%～6.3%，電池3.0 V擱置180 d后更顯現(xiàn)出其優(yōu)越，故該工藝制作的電池需要選用3.0 V擱置。

圖1 0.5充電特性曲線

圖2 兩種工藝制作電池不同倍率放電典型曲線

從兩種工藝制作的電池充電性能方面分析，兩種電池充電性能沒有任何差別，電池充電平臺(tái)電壓平穩(wěn)，充電電流沒有大的波動(dòng)，故選用一組典型充電曲線。

2.3 不同倍率放電特性

從圖2可知，放電至3.0 V時(shí)，敞開式制備的電池0.20、0.50、1.0、1.5和3.0容量分別為1 447、1 430、1 401、1 377和1 172 mAh；直封式制備的電池0.20、0.50、1.0、1.5和3.0容量分別為1 417、1 423、1 405、1 387和1 184 mAh。兩種電池的平臺(tái)電壓基本相同，其中直封式電池綜合倍率性能呈現(xiàn)優(yōu)越。

2.4 常溫循環(huán)特性

從圖中測(cè)試結(jié)果可知，所制作的電池循環(huán)200次時(shí)，a1、a2、a3、a4和a5額定容量百分比為105%(內(nèi)阻49 mΩ)、99.8% (內(nèi)阻49 mΩ)、98.14%(內(nèi)阻48 mΩ)、94.8%(內(nèi)阻58 mΩ)和89.4%(內(nèi)阻52 mΩ)。

b1、b2、b3、b4和b5額定容量百分比為106%(內(nèi)阻47mΩ)、101%(內(nèi)阻47 mΩ)、99.8%(內(nèi)阻47 mΩ)、97%(內(nèi)阻53 mΩ)和95%(內(nèi)阻50 mΩ)。兩種電池在循環(huán)150次后出現(xiàn)內(nèi)阻增高，200次循環(huán)結(jié)束后工藝b優(yōu)勢(shì)更為突出，并且熱誤用、短路、過充電、強(qiáng)制放電、振動(dòng)、機(jī)械沖擊的測(cè)試性能達(dá)到IEC62133-2012標(biāo)準(zhǔn)要求[2]；撞擊測(cè)試性能達(dá)到UL1642-2005標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

圖3 0.5充放電循環(huán)典型曲線

3 結(jié)論

以LiMn2O4、石墨為電極活性材料，采用半敞開式和直封式兩種工藝，分別制備了額定容量為1 400 mAh的18650型LiMn2O4鋰離子電池，直封式工藝制備電池，不僅縮短了制作周期，降低了成本，還可改善電池殼體表面的銹蝕。直封式工藝制作的電池，荷電保持率和循環(huán)壽命好于半敞開式工藝制備的電池，且對(duì)安全性能沒有影響。直封式工藝可用于18650型LiMn2O4鋰離子電池的制備。

[1]韋俊紅，李玉琦，楊濤，等.直封式工藝制備18650型LiFePO4鋰離子電池[J].電池，2012,42(3):156-157.

[2]國(guó)際電工委員會(huì).IEC62133-2012[S].2版.瑞士日內(nèi)瓦：國(guó)際電工委員會(huì)，2012.

[3]美國(guó)保險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)室有限公司.UL1642-2005[S].4版.美國(guó)：美國(guó)保險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)室有限公司，2005.

信息產(chǎn)業(yè)部化學(xué)物理電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

信息產(chǎn)業(yè)部化學(xué)物理電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心是為社會(huì)提供檢測(cè)技術(shù)服務(wù)的第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。中心檢驗(yàn)手段先進(jìn)、專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)齊全，具有一支高素質(zhì)檢測(cè)技術(shù)隊(duì)伍?？梢园凑諊?guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)化學(xué)物理電源產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證檢驗(yàn)和試驗(yàn)。信息產(chǎn)業(yè)部205計(jì)量站設(shè)在本中心，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)電池的校準(zhǔn)工作。曾參加WPV（WORD PHOTOVOLTAIC SCALE）組織的國(guó)際太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)與性能測(cè)試比對(duì)活動(dòng)，成為世界上擁有光伏計(jì)量基準(zhǔn)標(biāo)定資格的四個(gè)試驗(yàn)室之一。

本中心承擔(dān)了國(guó)家科技部 “十五”計(jì)劃中的“863”項(xiàng)目，開展電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池性能檢驗(yàn)測(cè)試和技術(shù)研究；中心還承擔(dān)了國(guó)家發(fā)改委可再生能源辦公室與世界銀行聯(lián)合組織的光伏電池科研與測(cè)試項(xiàng)目。二十年來為社會(huì)和行業(yè)提供了有效的檢測(cè)技術(shù)服務(wù)。

聯(lián)系方式：

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Preparation of 18650 type LiMn2O4lithium-ion battery using direct sealing method

Cylindrical 18650 type 1 400 mAh lithium-ion battery was prepared by the direct sealing method,in which LiMn2O4and graphite was used as the active materials of battery's anode and cathode, respectively. It was demonstrated that the direct sealing technology shortens the fabrication periods,reduces the manufacture cost,and solves the rust-eaten problem of the battery in contrast with the half an open way.Moreover,the performances of batery prepared by the direct sealing method were improved.

lithium-ion battery;LiMn2O4;direct sealing method;preparation;performance.

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2103-03

2015-03-15

韋俊紅(1980—)，女，河南省人，講師，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體材料及鋰離子電池材料。

楊瑞(1980—)，男，河南省人，工程師，主要研究方向?yàn)殇囯x子電池及相關(guān)材料。