三電極方法在鋰離子電池性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

高嬌陽，袁東亞，葉翠霞

(格力鈦新能源股份有限公司電池研究院，廣東 珠海 519000)

1 引言

鋰離子電池具有能量密度高、快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、通信、儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。目前對(duì)于其材料、性能以及安全問題的研究也越來越深入。隨著鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展，各行業(yè)對(duì)其性能要求越來越高，因此需要對(duì)電池新電極材料、電池體系的電化學(xué)性能展開測(cè)試與評(píng)價(jià)，這也是目前提高鋰離子電池性能、技術(shù)改造及失效分析中的重要環(huán)節(jié)[1]。當(dāng)電池在低溫或大倍率充電時(shí)，可能存在鋰離子到達(dá)負(fù)極后不能及時(shí)嵌入石墨層間而發(fā)生析鋰的問題，即動(dòng)力學(xué)受限導(dǎo)致的極化現(xiàn)象。因此，為了更好地研究電池的各種電化學(xué)性能，經(jīng)常會(huì)引入?yún)⒈入姌O，分別測(cè)試正極和負(fù)極相對(duì)參比電極的電位及其在不同測(cè)試工況下的電位變化。利用三電極可對(duì)電池化成的成膜反應(yīng)、循環(huán)充放電、倍率充放電、高低溫充放電、電池析鋰量化分析、正負(fù)極阻抗變化以及電池失效等方面進(jìn)行全面、原位的分析。在電池預(yù)充化成過程中，通過引入?yún)⒈入姌O可得到正負(fù)極各自相對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電極的電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行原位檢測(cè)。再者，如電池在進(jìn)行倍率充放電時(shí)，中值電壓會(huì)隨著充放電倍率的增大而降低，而三電極體系的應(yīng)用可以很好地分析正、負(fù)極各自的極化程度，有針對(duì)性地提出性能改善方法。

本文采用鋰片[2-3]或鍍鋰后的銅絲[4]作為參比電極，通過電化學(xué)測(cè)試研究電池內(nèi)部各電極在充放電過程中的電化學(xué)行為。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 石墨負(fù)極材料選型

三款石墨負(fù)極材料的理化特性如表1所示，因材料粒徑、顆粒形貌及碳包覆處理對(duì)石墨材料動(dòng)力學(xué)性能影響較大，故選擇以上三種不同類型的石墨材料進(jìn)行對(duì)比分析[5-6]。

表1 三款石墨負(fù)極材料的理化特性Table 1 Physical and chemical properties of three types of graphite anode materials.

2.2 材料表征測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡(Zeiss EV018，德國(guó)產(chǎn))對(duì)三款石墨負(fù)極材料形貌進(jìn)行表征分析。

2.3 電池組裝

2.3.1 參比電極的處理

選擇直徑為40 μm的漆包銅絲，并經(jīng)過如下處理步驟(圖1)。

圖1 參比電極用銅絲的處理方法Fig.1 The handling method of copper wire for reference electrode.

2.3.2 軟包三電極電池的制作

正極選擇磷酸鐵鋰LFP材料，負(fù)極匹配不同類型的石墨進(jìn)行研究。正極片由LFP(貴州產(chǎn))、聚偏氟乙烯PVDF(法國(guó)產(chǎn))、導(dǎo)電碳黑SP(瑞士產(chǎn))組成，負(fù)極片分別由如上石墨(江西、浙江產(chǎn))、導(dǎo)電碳黑SP、羧甲基纖維素鈉CMC(日本產(chǎn))、丁苯橡膠SBR(日本產(chǎn))組成，隔膜采用20 μm PP基膜(深圳產(chǎn))。電解液包含1 mol/L LiPF6、EC∶EMC∶DEC(質(zhì)量比25∶40∶30)和VC 2%。對(duì)負(fù)極片、隔膜及正極片進(jìn)行Z字形疊片，制作軟包裝電池，設(shè)計(jì)N/P均為1.15，設(shè)計(jì)容量5 Ah。在軟包電池Z字型疊片方式的基礎(chǔ)上，按照正極、隔膜、參比電極、隔膜、負(fù)極的順序組裝并引出所述參比電極的極耳，可從鋰離子電池的頂端(正負(fù)極耳中間位置)、兩側(cè)或底端引出(如圖2所示)。

圖2 軟包三電極電池示意圖(1正極；2負(fù)極；3參比電極；4參比電極的極耳)Fig.2 The schematic diagram of a three-electrode pouch battery(1 cathode;2 anode;3 reference electrode;4 the tabs of reference electrode).

2.3.3 參比電極鍍鋰

采用藍(lán)電扣式電池充放電設(shè)備，取分容后的電池(50% SOC)，采取如下方式對(duì)參比電極鋰：

(1)正向鍍鋰：電極連接方式為正極+參比電極，電流0.5 mA，時(shí)間2 h；

(2)反向鍍鋰：電極連接方式為負(fù)極+參比電極，電流0.5 mA，時(shí)間2 h。

2.4 電性能測(cè)試

2.4.1 倍率充電性能測(cè)試

應(yīng)用動(dòng)力電池測(cè)試設(shè)備(廣州擎天)對(duì)A、B、C三組軟包電池進(jìn)行倍率充電性能測(cè)試，充電倍率均為1.5 C，溫度25±2 ℃。測(cè)試工步如下：電池以0.3 C恒流恒壓充電至3.65 V，以0.3 C恒流放電至2.5 V，循環(huán)3次；最后以1.5 C倍率充電至3.65 V，各步驟時(shí)間間隔30 min。同時(shí)應(yīng)用測(cè)試儀(HIOKI)監(jiān)控負(fù)極(vs.參比電極)的電位變化。

2.4.2 電池階梯充電測(cè)試

磷酸鐵鋰體系電池在低溫或倍率充電時(shí)易出現(xiàn)析鋰問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以采用分步階梯充電方式，即電池在低SOC時(shí)采用較大電流充電，在高SOC時(shí)減小充電電流，以降低充電末期負(fù)極石墨的析鋰風(fēng)險(xiǎn)，保證電池綜合性能。實(shí)驗(yàn)針對(duì)析鋰風(fēng)險(xiǎn)最大的A組電池進(jìn)行分步階梯充電研究，電流依次為1.2 C、0.8 C、0.3 C，測(cè)試溫度25±2 ℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 材料表征

圖3為A、B、C三款不同石墨負(fù)極材料顆粒形貌SEM照片，A、B組均為單顆粒與二次顆粒混合材料，粒徑13～14 μm，C組為單顆粒小粒徑石墨材料，粒徑7 μm。

3.2 電池倍率充電性能測(cè)試

如前言部分所述，引入?yún)⒈入姌O，可監(jiān)測(cè)充電時(shí)電池正負(fù)極的電位變化。圖4為A、B、C三組軟包電池倍率充電性能測(cè)試曲線，表2為電池充電末期負(fù)極電位對(duì)比數(shù)據(jù)。對(duì)比A、B、C三組電池充電曲線可以看出，C款石墨負(fù)極材料倍率充電性能更好，從石墨材料角度來講，小粒徑及碳包覆處理有利于提升石墨的動(dòng)力學(xué)性能，降低負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)試結(jié)果與理論相一致。

表2 三組電池充電末期負(fù)極電位對(duì)比數(shù)據(jù)Table 2 Comparison data of anode potential of the three groups of batteries at the end of charging process.

研究表明，電池在充電過程中，若正極脫出的Li+沒有及時(shí)嵌入到負(fù)極內(nèi)部，多出的部分Li+就會(huì)在負(fù)極表面被還原，引入?yún)⒈入姌O監(jiān)控電池在充電過程中負(fù)極的真實(shí)電位(vs. Li/Li+)，若負(fù)極最低電位達(dá)到0 V或以下，即可判定存在析鋰風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)負(fù)極達(dá)到0 V對(duì)應(yīng)電池的SOC越高，或者負(fù)極的最低電位越高，表明材料倍率性能越好[7-8]。

圖3 三款石墨負(fù)極材料的顆粒形貌SEM圖Fig.3 SEM images of three types of graphite anode materials.

圖4 三組電池充電過程負(fù)極(vs.參比電極)的電位變化曲線Fig.4 The curves of the anode potential (vs.reference electrode) during the charging process of the three groups of batteries.

3.3 電池充電制度研究

選擇A組電池進(jìn)行分步階梯充電，曲線如圖5所示，電池階梯充電過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。由數(shù)據(jù)可以看出，采用不同電流(依次為1.2 C、0.8 C、0.3 C)階梯分步充電，整體充電時(shí)長(zhǎng)為63 min，與采用常規(guī)1 C恒流恒壓充電所需時(shí)間基本一致；充電末端負(fù)極電位為0.072 7 V，高于析鋰電位(0 V)，降低了負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)，因此采用此充電方法可在不增加充電時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)又能保證充電效果及電池性能。

表3 A組電池分步階梯充電過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 The data during step-by-step charging process of group A battery.

圖5 A組電池階梯充電曲線及負(fù)極電位(vs. Li/ Li+)曲線Fig.5 The curves of step-by-step charging process and anode potential (vs. Li/ Li+) of group A battery.

4 結(jié)論

本文制作了磷酸鐵鋰三電極軟包電池，定性研究了電池充電過程析鋰風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用不同石墨負(fù)極材料的軟包電池，充電末端負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)不同，小粒徑碳包覆石墨材料的動(dòng)力學(xué)性能更好，充電析鋰風(fēng)險(xiǎn)更低。對(duì)磷酸鐵鋰電池充電制度開展了相關(guān)研究結(jié)果表明，充電過程采用分步階梯充電，依次為1.2 C、0.8 C、0.3 C，即電流遞減的方式，電池在充電末期負(fù)極電位為0.072 70 V，高于析鋰電位0 V，降低了充電末期負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)。綜上，三電極方法對(duì)鋰離子電池充電制度研究、負(fù)極石墨材料動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)及材料體系選型、鋰離子電池失效分析具有一定指導(dǎo)意義。