鋰氟化碳電池電極參數(shù)設(shè)計與電性能研究

王云河，魏冰歆

鋰氟化碳電池電極參數(shù)設(shè)計與電性能研究

王云河1，魏冰歆2

（1. 海軍裝備駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

高比能兼具功率密度的電池在特殊國防軍用領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用價值。鋰氟化碳電池作為目前比能量最高的一種鋰/固體正極電池，具有在水中兵器電源中進(jìn)一步發(fā)展的潛力。本文采用不同電極參數(shù)組裝的鋰/氟化碳軟包電池，對其倍率放電性能進(jìn)行試驗并分析，最后得出不同電極參數(shù)對電池性能的影響。

鋰原電池 正極材料 氟化碳 面密度

0 引言

鋰原電池在我國遠(yuǎn)程水下對抗類裝備上多有應(yīng)用，如航程循環(huán)水雷、誘餌雷、布雷系統(tǒng)等。對于水中兵器來說，電源系統(tǒng)應(yīng)滿足體積小、重量輕、質(zhì)量及體積能量密度高、使用溫度范圍寬、貯存壽命長等需求。同時，對于需要維護(hù)簡單、貯存壽命長的軍用環(huán)境來說，鋰原電池更具優(yōu)勢[1-3]。

鋰/氟化碳(Li/CF)電池是一種以金屬鋰為負(fù)極，氟化碳為正極的一次電池。與其他常用的鋰原電池，如鋰/二氧化錳(Li/MnO2)電池、鋰/二氧化硫(Li/SO2)電池、鋰/亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池相比，鋰/氟化碳電池具有能量密度高、安全性好等優(yōu)點[4,5]。其中，當(dāng)CF中=1 時，對應(yīng)的鋰/氟化碳電池理論比能量約為2180 Wh/kg，在固體正極材料中最高[6]。

本文通過對氟化碳軟包電池開展電極參數(shù)設(shè)計及電性能研究，對不同電極面密度下的電池放電倍率等性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。得出了正極面密度為5 mg/cm2時，鋰氟化碳軟包電芯具有較高體積能量密度等結(jié)論。

1 試驗方案

1.1 電池的制備

采用氟化碳作為正極材料、鋰帶作為負(fù)極材料，正極材料配方為質(zhì)量比90（CF）:5（Super-P）:5（PVDF），負(fù)極按照理論所需過量10%設(shè)計，正極集流體為12 μm涂碳鋁箔，負(fù)極集流體為8μm銅網(wǎng)，隔膜為Clgarde商用隔膜，電解液體系為PC+DME+LiBF4。

圖1 氟化碳軟包電芯圖

1.2 電極參數(shù)的設(shè)計

軟包電芯正極片采用固定的壓實密度，該壓實密度經(jīng)過試驗優(yōu)選。正極涂布單面面密度設(shè)計為3.0、5.0、7.0及9.0 mg/cm2，電池額定容量均統(tǒng)一設(shè)計為20Ah。四種電芯按照電極面密度從小到大依次命名為1號、2號、3號和4號電池，表1為電池正極片設(shè)計參數(shù)。

表1 電池正極片設(shè)計參數(shù)

1.3 表征及測試方法

通過掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI/Quanta 250)觀察氟化碳粉體的微觀形貌。使用武漢藍(lán)電CT3001B電池測試儀(5 V-100 A)及上海龍躍高低溫測試柜在25 ℃進(jìn)行不同倍率的放電測試。其中倍率放電性能參數(shù)設(shè)置為0.5 C，1 C，3 C，放電截止電壓為1.75 V。軟包電芯放電前靜置12 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體表征

對購買所得的氟化碳形貌進(jìn)行SEM觀測，結(jié)果如圖2。由圖可知，通過高溫制備的氟化碳材料仍保持有石墨材料的層狀結(jié)構(gòu)。且氟化碳顆粒為不規(guī)則形狀，大小在10 μm左右。

圖2 氟化碳粉體SEM圖

2.2 電化學(xué)性能表征

圖3、4、5為4種不同面密度的軟包電芯放電曲線。在0.5C放電時，4種極片的放電中值電壓和克容量相近，其克容量分別為801.9 mAh/g 、789.9 mAh/g 、783.2 mAh/g 和779.2 mAh/g，克容量承遞減的趨勢。在1.5 C及3 C的放電倍率下，電芯容量的發(fā)揮隨著面密度的增大逐漸減小，1.5C倍率下分別為735.6 mAh/g、728.8 mAh/g、700.8 mAh/g和660.8 mAh/g，以及3C倍率下分別為691.2 mAh/g、594 mAh/g、557.7 mAh/g和579.4 mAh/g。在壓實密度一定的條件下，更小的面密度意味著更薄的極片厚度，有利于電子和離子的傳輸，其材料克容量也有更好的發(fā)揮。

圖3 四種不同面密度的軟包電芯在0.5C的放電曲線

圖4 四種不同面密度的軟包電芯在1.5C的放電曲線

然而對整體電芯來說，體積比能量是更重要的指標(biāo)，圖6為4種電芯在不同倍率下的體積比能量。由圖可知，在不同倍率下，面密度為5 mg/cm2的極片體積比能量最大，面密度為3 mg/cm2的極片體積比能量最低，而面密度為7 mg/cm2和9 mg/cm2的極片體積比能量較為接近，無明顯優(yōu)劣差別。對于軟包電芯來說，面密度的提高使集流體、隔膜等輔材的用量減少，然而過高的面密度會導(dǎo)致極片變厚集流體數(shù)量減少，阻礙電子傳輸，同時電解液滲透情況不佳時，離子傳輸也受到阻礙7。考慮到氟化碳材料放電時導(dǎo)致的極片膨脹較大，將會加深對上述傳輸?shù)淖璧K[8]。本次試驗中，以體積比能量作為依據(jù)，可知在面密度為5 mg/cm2時鋰/氟化碳軟包電芯性能最佳。

圖5 四種不同面密度的軟包電芯在3C的放電曲線

圖6 四種電芯在不同倍率下的體積比能量

3 結(jié)論及展望

氟化碳電池體積能量密度高、電壓平臺穩(wěn)定等多種優(yōu)點，在水中兵器領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚耐ㄟ^研究鋰/氟化碳軟包電芯極片面密度與電性能的關(guān)系，得出了在一定條件下，極片面密度為5 mg/cm2的軟包電芯具有最高體積能量密度的結(jié)論，研究成果有助于優(yōu)化高比能鋰原電池參數(shù)設(shè)計，為后續(xù)研究鋰/氟化碳電池提供數(shù)據(jù)支撐，對未來水中兵器、單兵電源等軍工領(lǐng)域應(yīng)用提供可靠能源支持。

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Research on Electrode Parameter Design and Electrical Performance of Li/CFx Battery

Wang Yunhe1, Wei Bingxin2

(1. Military Representative Wuhan Office, Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430064; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0008-0003

2021-07-21

王云河（1972-），男，高級工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: 281067795@qq.com