新電極結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰電池及性能分析

簡(jiǎn)斌

摘要：本文主要針對(duì)圓柱形的鈦酸鋰電池為關(guān)鍵的研究對(duì)象，將對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的理念視為本次研究的重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電容器結(jié)構(gòu)與電池間的良好整合，通過(guò)這樣的形式來(lái)滿足增強(qiáng)電池大電流充放電的整體能力。而經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試后會(huì)發(fā)現(xiàn)，有效地運(yùn)用新電極結(jié)構(gòu)的電池，在常溫或是低溫狀態(tài)下，都會(huì)呈現(xiàn)出比較強(qiáng)大的電流充放電的效果與能力，而且也能表現(xiàn)出優(yōu)異大電流的循環(huán)性能等。因此本文就針對(duì)新電極結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰電池特點(diǎn)和性能進(jìn)行分析，從而將其優(yōu)勢(shì)和作用展示出來(lái)，為后期相關(guān)工作的有效開(kāi)展提供保障。

關(guān)鍵詞：新電極結(jié)構(gòu);鈦酸鋰電池;性能

0? 引言

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的環(huán)境下，各種能源和環(huán)境問(wèn)題也逐漸受到人們的重視。風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源在開(kāi)發(fā)中，也受到廣泛的重視。而新能源的隨機(jī)性進(jìn)和波動(dòng)性也是最受關(guān)注的問(wèn)題，這樣會(huì)使得其輸出功率發(fā)生不穩(wěn)定和不連續(xù)等現(xiàn)象;但對(duì)于電化學(xué)的儲(chǔ)能元件，能夠有效地存儲(chǔ)能量，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出功率，更好地彌補(bǔ)新能源在開(kāi)發(fā)上存在的不足之處。對(duì)于不同的電化學(xué)儲(chǔ)能的技術(shù)領(lǐng)域里，鋰離子電池因自身高密度、長(zhǎng)循環(huán)的壽命和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛的重視。對(duì)于尖晶石型的鈦酸鋰電池，其相對(duì)于鋰的具體電位是1.55V，而其理論的容量是175mAh·g-1，其有較強(qiáng)安全性、零應(yīng)變和電化學(xué)性能好的優(yōu)勢(shì)，可以更好地使用在不同的溫度范圍之內(nèi)，這也為很多工業(yè)領(lǐng)域和企業(yè)單位提供了高效的能源設(shè)備。

與常規(guī)的碳負(fù)極的材料進(jìn)行對(duì)比，其鈦酸鋰的嵌鋰電壓平臺(tái)比較高，能夠有效地避免因同電解液發(fā)生反應(yīng)而出現(xiàn)鈍化膜現(xiàn)象，對(duì)寬溫度的電解液選擇有一定幫助，也能杜絕大電流充電以及過(guò)充時(shí)出現(xiàn)負(fù)極表面鋰的枝晶現(xiàn)象，其安全性是值得保障的。對(duì)于常溫狀態(tài)下，其材料化學(xué)擴(kuò)散的系數(shù)是2×10-8cm2·s-1，其相比于碳負(fù)極的材料要大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠展示出較為快速的嵌脫鋰的能力。也正是這些優(yōu)勢(shì)，其能夠在我國(guó)交通領(lǐng)域、儲(chǔ)能領(lǐng)域以及對(duì)高低溫大電流充放電的相關(guān)特殊要求領(lǐng)域中，都有良好的應(yīng)用前景，并且也獲得國(guó)內(nèi)外的重視。

1? 鈦酸鋰電池的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)分析

針對(duì)實(shí)際中鈦酸鋰電池，其有著安全穩(wěn)定的性能，其單體的電壓一般都是在2.4-3V之間，在充電時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶，而在充放電的情況下會(huì)有較高熱穩(wěn)定性和零應(yīng)變性，不會(huì)引發(fā)起火問(wèn)題;其有著較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，循環(huán)的次數(shù)一般都會(huì)高于3萬(wàn)次，可以在30年之內(nèi)有效運(yùn)用，一般會(huì)和設(shè)備保持同壽命;其成本也是比較低的，很容易被用戶接受;也能實(shí)現(xiàn)全天候的充放電要求，其耐寬溫的性能良好，能夠在零下40攝氏度到零上60攝氏度的環(huán)境中能夠正常的充放電，并無(wú)記憶效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)充放電的效果[1]。能夠?qū)崿F(xiàn)高倍率的充放電，對(duì)于實(shí)際中運(yùn)用的電動(dòng)大巴車(chē)中也運(yùn)用的鈦酸鋰電池中，在充電6分鐘時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)額定容量在95%左右，其充電的電流在40A，能夠確保車(chē)輛持續(xù)行使100km，一般能夠運(yùn)營(yíng)兩次往返。而針對(duì)大電流充電中，其電池內(nèi)部并不會(huì)出現(xiàn)因高溫發(fā)熱的反應(yīng)而出現(xiàn)SEI膜，可以有效地吸收在正極中出現(xiàn)的分解反應(yīng)形成的氧氣，能夠非常有效地降低電池因過(guò)熱而失控的問(wèn)題出現(xiàn)。最后就是不會(huì)帶來(lái)污染問(wèn)題，其原材料的資源也比較豐富。

2? 實(shí)驗(yàn)的具體研究和分析

針對(duì)鈦酸鋰電池的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，明確其在實(shí)際中的應(yīng)用前景，但因鈦酸鋰中的Ti4+中存在的3d軌道出現(xiàn)缺電子的現(xiàn)象，這樣會(huì)導(dǎo)致其本征導(dǎo)電率降低，導(dǎo)致其材料的導(dǎo)電性能變差，這樣將會(huì)對(duì)其高倍率的性能帶來(lái)影響。一般情況之下，其鋰離子的負(fù)極當(dāng)中的固相擴(kuò)散系數(shù)，屬于決定了其電池極化內(nèi)阻以及電池的大電流充放電情況的重要環(huán)節(jié)[2]。因此，一些研究人員會(huì)運(yùn)用幾種形式來(lái)對(duì)鈦酸鋰電池倍率性能進(jìn)行提升：首先就是以材料角度進(jìn)行分析，有效的設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)，有效的降低鋰離子早鈦酸鋰電池的電極中其固相擴(kuò)散的距離;也會(huì)經(jīng)過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行有效地包覆，或是通過(guò)摻雜一些特定元素，實(shí)現(xiàn)提升離子擴(kuò)散以及電子傳導(dǎo)率的效果，以此增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移的反應(yīng)效率。其次，以電池角度進(jìn)行分析，也就是通過(guò)對(duì)電極設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，或是對(duì)工藝形式進(jìn)行改善，使得電池大電流充放電的性能變得更高。

而本文主要是以圓柱形鈦酸鋰電池進(jìn)行研究。以電池角度，主要就是對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)電池大電流性能的提升，這樣能夠?yàn)閷?shí)際中有效開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)大電流充放的圓柱形的鈦酸鋰電池而提供有利的依據(jù)。

2.1 主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圓柱形鋰離子電池，主要就是以超聲焊的形式實(shí)現(xiàn)正負(fù)極耳間分別和電池蓋和殼體進(jìn)行焊接，而對(duì)于這一工藝存在的缺點(diǎn)就是，極耳和連接件焊接的面積相對(duì)較小，使得單位面積的承載電荷變大，將難以確保大電流的輸入和輸出的有效性[3]。因鈦酸鋰中嵌銼電位要高于易性形成鋰鋁合金中電位，所以在接下來(lái)的研究中，應(yīng)在正負(fù)極上運(yùn)用鋁箔來(lái)建立集流體，使得電容器的結(jié)構(gòu)和電池都能實(shí)現(xiàn)良好的組合，讓極片中的空箔視為極耳，在借助激光焊和連接件的焊接形式連接在一起，由此能夠提升極耳焊接的面積，也能增強(qiáng)大電流輸入和輸出的能力，并且也能確保電池綜合性能得到進(jìn)一步提升。在實(shí)驗(yàn)研究中，主要運(yùn)用圓柱形26700電池為主，通過(guò)比較形式來(lái)測(cè)試新結(jié)構(gòu)電池和以往功率型的電池間的性能。

2.2 具體實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 電極

對(duì)于其中的正極是將錳酸鋰視為關(guān)鍵的活性物質(zhì)，而負(fù)極是將鈦酸鋰視為關(guān)鍵的活性物質(zhì)，通過(guò)建立其流動(dòng)性能良好，且粘度能夠滿足要求的漿料來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)要求，之后再分別將其涂覆到厚度是16u的鍋集流體之上，運(yùn)用碾壓和剪切等形式來(lái)得到正極片和負(fù)極片。之后就是把負(fù)極分別制作成兩組極片，其中的一組是普通的功率型三極耳的電極，而另一組是新結(jié)構(gòu)的電極，通過(guò)將其中的正負(fù)極的邊緣留出空箔（如圖1所示），在圖中的L+為正極片的長(zhǎng)度，而L-為負(fù)極片的長(zhǎng)度，W+就是正極片的寬度，W-為負(fù)極片的寬度。

2.2.2 電池

通過(guò)對(duì)新電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行極片的卷繞后，其會(huì)形成新結(jié)構(gòu)的電池，和普通的電池間是有一定不同處的，其電極極耳是以極片的空箔為主，對(duì)于進(jìn)行激光焊接后，會(huì)實(shí)現(xiàn)從上集流體與下集流體中引出，這樣就能實(shí)現(xiàn)電容器結(jié)構(gòu)和電池間的有效結(jié)合。

2.2.3 電池性能的有效檢查

該工作中，就是把裝配好的普通三極耳結(jié)構(gòu)的電池a與新電極結(jié)構(gòu)的電池b進(jìn)行烘干，在通過(guò)注入規(guī)定計(jì)量的電解液，在通過(guò)化成和后處理等形式，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)項(xiàng)目的有效檢查。

首先，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效測(cè)試。其電池通過(guò)完成前期化的處理之后，會(huì)在BT2000型的多通道的充放電的循環(huán)測(cè)試儀中，運(yùn)用一倍率的電流實(shí)現(xiàn)充放電性能的測(cè)試工作，其充放電所截止的電壓值應(yīng)控制在1.5-3.0V之間。

其次，倍率充和放電性能的檢查。對(duì)于倍率充電的性能檢驗(yàn)工作當(dāng)中，其電池會(huì)分為幾個(gè)不同倍數(shù)的數(shù)值，主要就是1、5、10、15以及20C的倍率，其電流充電要開(kāi)展在3V，待休眠一定時(shí)間之后，在運(yùn)用1C電流來(lái)做放電至1.5V的處理。而對(duì)于倍率放電的性能檢查中，其電池是以1C電流為主在充電至3V，待休眠后，會(huì)以1、5、10、15、20以及30C的電流放電到1.2V，在運(yùn)用先進(jìn)的紅外熱成像儀來(lái)對(duì)電池在30C倍率狀態(tài)下的放電時(shí)溫度轉(zhuǎn)變情況。

再次，低溫性能的檢查。針對(duì)低溫倍率的放電性能檢查中，常溫情況下要以1C電流為主，并充滿后把電池放置在零下40攝氏度溫度下七個(gè)小時(shí)，之后在運(yùn)用7C的電流放電到1.2V。

最后，有效開(kāi)展循環(huán)檢查工作。對(duì)于常溫情況下，要以6C電流來(lái)開(kāi)展循環(huán)測(cè)試的工作，確保其電壓在1.5-3V之間，并且在循環(huán)50次后在進(jìn)行一次放電結(jié)束時(shí)溫度檢查。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最后討論

3.1 電池的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)以上兩種電池的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如圖2所示），針對(duì)圖中內(nèi)容可以明確發(fā)展，a與b兩電池容量大致是相同的，可是其內(nèi)阻卻有一定差異性。針對(duì)新電極的結(jié)構(gòu)電池，平均內(nèi)阻要比以往的結(jié)構(gòu)電池要偏低，這一點(diǎn)可以明確其新結(jié)構(gòu)會(huì)提升電池極耳的焊接面積，進(jìn)而能夠確保電池內(nèi)阻有效降低。

3.2 倍率充電與放電的性能分析

針對(duì)其電池大電流的充放電的性能，不僅和材料的導(dǎo)電率相關(guān)，而且與功率型的設(shè)計(jì)也是有一定關(guān)聯(lián)的。雖然鈦酸鋰電池材料中的本征導(dǎo)電率相對(duì)偏低，可是通過(guò)實(shí)現(xiàn)金屬摻雜和碳材料的復(fù)合等形式，能夠有效地改善鈦酸鋰材料本征電子以及離子電的導(dǎo)率情況，進(jìn)而能夠增強(qiáng)其倍率充放電的性能。

3.3 低溫的性能分析

針對(duì)其兩組電池進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，主要就是在零下40攝氏度的溫度下以7C電流來(lái)進(jìn)行電流放電性能分析。在實(shí)驗(yàn)中，其電池a和b電池在開(kāi)始放電時(shí)，其放電曲線的趨勢(shì)大致相同。而在前30s時(shí)因極化過(guò)大，其電壓會(huì)迅速下降，a電池的放電的電壓快速的降到1.2V，這樣將難以進(jìn)行繼續(xù)放電工作[4]。對(duì)于新結(jié)構(gòu)的b電池，在放電到59s后電壓提升，其放電的最低電壓在1.34V，其電池的放電時(shí)間為498s與501s，而放電效率是常溫放電的93%，這樣能夠展示出新電極結(jié)構(gòu)可以在低溫情況下確保大電流放電性能的有效提高。

4? 結(jié)論分析

針對(duì)鈦酸鋰電池進(jìn)行有效研究，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一組新結(jié)構(gòu)的電極，并運(yùn)用極片留出空箔的形式來(lái)作極耳，在把電容器結(jié)構(gòu)和電池進(jìn)行良好組合，由此能夠提升極耳的有效焊接面積。與傳統(tǒng)的三極耳功率型的電池進(jìn)行對(duì)其，期新結(jié)構(gòu)的電池能夠在常溫下進(jìn)行大電流充放電，在零下40攝氏度的低溫7C情況下放電，整體性能表現(xiàn)良好，可以有效的標(biāo)示運(yùn)用新結(jié)構(gòu)電極，能夠最大幅度的提升電池倍率以及其綜合的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊永蓮，陳玉煒，侯全會(huì)，等.新電極結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰電池及性能研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2017（5）：569-574.

[2]李娜.高功率柔性鋰離子電池電極材料的制備及其性能研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013（4）：1-52.