高功率型鋰離子電池的研制

黃鋒濤

摘 要：采用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作為正極材料，石墨為負(fù)極材料，制成18650型/1300 mA·h功率型圓柱電池;該類電池5 C放電容量相當(dāng)于1 C放電容量的99%，5 C循環(huán)測(cè)試900次后，容量剩余87%以上;經(jīng)過針刺后，電池沒有起火爆炸。

關(guān) 鍵 詞：鋰離子電池;18650;功率;安全性

中圖分類號(hào)：TM 311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1266-02

Preparation and Electrochemical

Performance of High Power Lithium Ion Battery

HUANG Feng-tao

（Department of Chemical Engineering，Shaanxi National Defense Industry Vocational Technology Institute，

Shaanxi Xian 710302，China）

Abstract： The 18650/1300 mA·h Li-ion batteries were prepared with LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 as positive electrode and graphite as negative electrode. The discharge capacity of the batteries at 5 C was about 99% of the capacity obtained at 1.0 C. The capacity was over 87% of the original capacity after 900 cycles. Furthermore， there was no exploding and fire when the batteries were short circuited by puncturing.

Key words： Lithium-ion battery;18650;Power;Safety

動(dòng)力型電池要求具有高功率、長(zhǎng)壽命和安全性等特性[1]。因此高功率型鋰離子動(dòng)力電池有望成為未來電動(dòng)汽車和其他電動(dòng)工具的首選電源[2]。正極材料是決定鋰離子電池性能的最關(guān)鍵因素之一，錳酸鋰電池壽命較短，鈷酸鋰電池價(jià)格昂貴及電壓較低，磷酸鐵鋰電壓較低，等都是制約其發(fā)展的因素[3-5]。

層狀結(jié)構(gòu)的鎳鈷錳三元材料[6]，由于放電容量高，電壓較高，價(jià)格相對(duì)于鈷酸鋰較低，又環(huán)保，壽命較長(zhǎng)而備受關(guān)注。18650型電池[7]是一種常見的電池，具有廣泛的用途，特別是功率型的電池，應(yīng)用于電動(dòng)工具、電動(dòng)玩具和電動(dòng)自行車動(dòng)力設(shè)備中。

本文研制出一種可以大功率長(zhǎng)壽命的18650型鋰離子電池，以其滿足未來的電動(dòng)市場(chǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 電池的制備和組裝

正極部分以鎳鈷錳酸鋰、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑PVDF為原料，按照質(zhì)量比為92：5：3混合容于溶劑NMP攪拌而成，將漿料均勻涂布于0.015 mm厚度的鋁箔上并烘干;負(fù)極以石墨、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑CMC為原料按照92.5：3：4.5混合攪拌速成，負(fù)極涂布于0.009 mm厚銅箔上并烘干。正極涂布面密度為18 mg/cm2，負(fù)極的單面涂布面密度為9.7 mg/cm2。正極壓實(shí)密度為2.70 g/cm3，負(fù)極極片壓實(shí)密度1.35 g/cm3正極極片裁片寬度為52 mm，負(fù)極極片為54 mm。正負(fù)極極片長(zhǎng)度比為0.90，將負(fù)極片、隔膜（厚度為20 μm）、正極片和鋼殼在一起制成電池。

1.2 電化學(xué)性能測(cè)試

電池容量和壽命測(cè)試采用新威爾電池測(cè)試儀（BTS-5V3A），電池的倍率測(cè)試?yán)酶吖β孰姵販y(cè)試儀（BTS-20V6A），電池安全性能以拜特電池測(cè)試儀（BSS2000）來測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 電池容量與充放電曲線

圖1為三元材料制成的電池曲線圖，圖中電池的額度容量為1 420 mA·h，電池的充電平臺(tái)為3.5 V，平均電壓平臺(tái)為3.7 V，而且平臺(tái)平緩，平臺(tái)電壓部分容量為1 350 mA·h，占總?cè)萘康?5%，放電電壓3.4V，平均電壓平臺(tái)為3 V，總平臺(tái)容量為1 340 mA·h，中總總放電容量的95%以上，充放電效率為99%。電池曲線平臺(tái)平緩，電壓較高，電池具有很好的充放電效率。

圖1 鎳鈷錳酸鋰電池的充放電曲線圖

Fig.1 The charge/discharge profiles of LiMn2O4 battery

2.2 電池不同倍率放電曲線

圖2是鎳鈷錳酸鋰18650功率型鋰離子電池在不同倍率下的放電曲線圖。圖中abcd依次分別為電池在0.2 C、1 C、5 C和10 C下不同倍率的放電曲線圖，其最初的電壓平臺(tái)由4.1 V逐漸降為3.40 V，在5 C倍率放電時(shí)，電池的電壓平臺(tái)開始顯著下降，而已10 C時(shí)下降最多，此時(shí)平均電壓平臺(tái)僅為3.3 V左右，這時(shí)由于電池材料的強(qiáng)烈的極化所致，與所用的電解液和材料本身有關(guān)，但是電池的放電容量在5 C和1 C倍率下相差無幾，5 C下的容量相對(duì)于1 C容量的98.8 %以上，容量幾乎無損失。表1中，不同倍率測(cè)試的放電容量和效率，電池在1至5 C下工作時(shí)，均可保持充放電效率的97%以上，說明電池保持了良好的放電效率。

圖2 電池的放電曲線圖

Fig.2 The discharge profiles of battery

表1 鋰離子電池不同倍率放電的容量

Table 1 Capacity of 18650 type Li-ion batteries discharged at different rates

2.3 循環(huán)性能曲線圖

圖3為電池的循環(huán)壽命圖，電池在25度環(huán)境下測(cè)試而成，電池以采取5 C倍率測(cè)試，即1 C恒流恒壓充滿，擱置20 min，后5 C放電，再擱置20 min，依次來測(cè)試電池壽命。圖中看到電池首次放電容量為1340 mA·h，電池容量以緩慢的速度衰減，經(jīng)過900次連續(xù)充放電后，電池仍然保持首次容量的87%以上，即容量仍為1 208 mA·h以上。正極材料保持了完整的結(jié)構(gòu)，鋰離子可以自由的嵌入和脫出。表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能和均衡性。

圖3 電池的循環(huán)曲線圖

Fig.3 The cyclic performance of battery

2.4 電池安全性能圖

圖4是電池的針刺效果圖，將電池以0.2 C倍率下恒流恒壓充滿電，擱置24 h后，將其放置在電池安全測(cè)試儀中，用4 mm的鋼針從電池的側(cè)面直刺透過去，然后保持60 s以上，但是電池的底部和頭部蓋帽部分無任何異動(dòng)，蓋帽未彈出，但蓋帽里的安全閥打開。由于針刺是電池安全測(cè)試中最為極端的實(shí)驗(yàn)，說明電池安全。

圖4 電池的針刺圖

Fig.4 The needling test of battery

3 結(jié) 論

利用鎳鈷錳酸鋰為正極和石墨負(fù)極成功制成18650型動(dòng)力鋰離子電池，電池容量達(dá)1 300 mA·h以上，不同倍率下具有很高的充放電效率，電池在5 C倍率下測(cè)試循環(huán)壽命為900次以上，而且可以保持1 C容量的98.0%以上，具有很高的動(dòng)力特性。經(jīng)過極端針刺測(cè)試，電池安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

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