端面焊制備圓柱形磷酸鐵鋰動力鋰離子電池

錢 龍，肖超善，張秦怡，饒睦敏

(深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118)

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端面焊制備圓柱形磷酸鐵鋰動力鋰離子電池

錢 龍，肖超善，張秦怡，饒睦敏

(深圳市沃特瑪電池有限公司，廣東 深圳 518118)

以磷酸鐵鋰(LiFePO4)為正極活性物質(zhì)、石墨為負極活性物質(zhì)，通過端面焊技術(shù)制備10 Ah鋁殼38120型LiFePO4動力鋰離子電池，相比多極耳鋼殼電池，鋁殼電池具有較小的內(nèi)阻、良好的倍率循環(huán)和低溫性能：平均內(nèi)阻為1.6 mΩ，以10C在3.65～2.00 V充放電，充電恒流比為93.0%，放電容量保持率為99.2%，循環(huán)300次的容量保持率為85.0%；低溫-20 ℃和-35 ℃的1C放電容量保持率分別為88.3%和81.9%；可通過QC/T 743安全測試。

端面焊； 磷酸鐵鋰； 倍率性能； 循環(huán)性能； 低溫

電池結(jié)構(gòu)和集流效果，對磷酸鐵鋰(LiFePO4)鋰離子電池的內(nèi)阻及充放電倍率影響較大，圓柱形電池采用多極耳集流，內(nèi)阻較大；大容量的疊片工藝，制備過程較為復雜[1-2]。

本文作者采用端面焊技術(shù)，制成全極耳10 Ah鋁殼圓柱形LiFePO4動力鋰離子電池，研究倍率充放電、循環(huán)穩(wěn)定性和低溫放電等性能，并對電芯的安全性能進行測試。

1 實驗

1.1 電池的制備

將納米LiFePO4(煙臺產(chǎn)，一次粒徑為100～500 nm，工業(yè)級)、導電炭黑SP(日本產(chǎn)，工業(yè)級)、導電石墨KS-6(上海產(chǎn)，工業(yè)級)、聚偏氟乙烯(PVDF，美國產(chǎn)，CP)按質(zhì)量比93.0∶3.5∶1.0∶2.5配成正極漿料；將小粒徑球形石墨AML410S(東莞產(chǎn)，工業(yè)級)、導電炭黑SP、水性膠粘劑LA133(成都產(chǎn)，工業(yè)級)按質(zhì)量比94.5∶2.0∶3.5配成負極漿料。分別以0.018 mm厚的鋁箔(深圳產(chǎn)，≥99.8%)、0.00 9 mm厚的銅箔(深圳產(chǎn)，≥99.8%)為正、負極集流體，通過擠壓涂覆(正、負極留白寬度分別為6～10 mm和7～9 mm)、輥壓(壓力2～5 MPa，正極為0.110±0.002 mm厚，負極為0.078±0.002 mm厚)、分切(正極為103 mm×3 950±2.0 mm，負極為106 mm×4 045±2.0 mm)，制得正、負極片(正、負極活性物含量分別為75.67±1.00 g、38.90±0.50 g)。

選用20 μm厚的陶瓷隔離膜(重慶產(chǎn))，自制EOM01型高倍率電解液1 mol/L LiPF6/EC+DMC(體積比3∶7)，經(jīng)電芯卷繞揉平、激光端面焊、激光環(huán)形蓋板封口和鋼珠封口等工序，制成38120型10 Ah鋁殼動力鋰離子電池。按相同的比例，采用一般多極耳生產(chǎn)工藝，經(jīng)配料、涂布、制片、入殼焊極耳、點底充槽、烘烤注液和封口等工序，制得鋼殼電池。

用CT-3008-5V10A-204高精度電池性能測試系統(tǒng)(深圳產(chǎn))通過三步法化成：以0.01C恒流充電60 min，轉(zhuǎn)0.05C恒流充電120 min，最后0.15C恒流充電300 min。預充只有電流設置，沒有電壓設置，保護電壓上限為3.80 V。

1.2 電池性能測試

化成后的電池在45 ℃下擱置72 h，再進行性能測試。

用CT-4008-5V/100A-NA電池檢測系統(tǒng)(廣州產(chǎn))進行1.00C、3.00C、6.00C及10.00C倍率充放電和循環(huán)性能測試，電壓為2.00～3.65 V。在25 ℃下，以1.00C恒流充電至3.65 V，轉(zhuǎn)恒壓充電至0.03C，擱置后，以1.00C恒流放電至2.00 V。此后，分別以3.00C、6.00C和10.00C等倍率充電，1.00C電流放電，進行測試。用SW-250L高低溫試驗機(深圳產(chǎn))進行低溫測試。電池在室溫下充電后，在低溫箱中擱置16 h，低溫下以1.00C放電至2.00 V。用BS-VR3電池內(nèi)阻測試儀(廣州產(chǎn))進行內(nèi)阻測試，測試溫度為室溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 電池容量內(nèi)阻測試

將鋁殼電池與鋼殼電池進行對比，實驗電池的1.00C分容數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗電池的1.00 C分容數(shù)據(jù)

從表1可知，電池的初始容量都可達到設計值。在容量相近的同時，端面焊制備的鋁殼電池平均內(nèi)阻為1.6 mΩ，為鋼殼電池6.4 mΩ的25%，說明端面焊的集流效果較好。

2.2 倍率充放電性能

鋁殼電池和鋼殼電池在不同倍率下的充放電曲線見圖1，相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2。

圖1 實驗電池在不同倍率下的充放電曲線

電池類別倍率/C充電容量/mAh充電恒流比/%放電容量與1.00C時的比/%中值電壓/V鋁殼1.0010658.498.71003.323.0010640.096.799.73.246.0010643.294.9100.63.1110.0010636.793.099.23.08鋼殼0.505221.898.31003.241.005234.897.098.53.203.005272.493.199.43.095.005299.779.8100.73.01

從圖1、表2可知，鋁殼電池的電壓平臺較平穩(wěn)，不同倍率的充電恒流比都在90%以上，不同倍率放電容量保持率和放電中值電壓均較高。鋼殼電池5.00C充電的恒流比只有79.8%，在與鋁殼電池相近的倍率充放電時，放電中值電壓也比鋁殼電池小。

實驗電池充放電300次的循環(huán)性能見圖2。

圖2 實驗電池充放電300次的循環(huán)性能

Fig.2 Cycle performance of test battery charged-discharged for 300 times

從圖2可知，鋁殼電池3.00C和6.00C循環(huán)的容量保持率在95.0%以上，10.00C循環(huán)300次的容量保持率也可達到85.0%。鋼殼電池3.00C和6.00C循環(huán)300次的容量保持率都約為90.0%。相比傳統(tǒng)的多極耳結(jié)構(gòu)電池，激光端面焊接可減小鎳條或銅條與極片基體的接觸電阻，匯流蓋板可將整個電芯電流集中在兩端，因此電池的循環(huán)性能較好。

2.3 低溫性能

實驗電池室溫下充滿電，在低溫箱中恒溫擱置16 h后測試-20 ℃、-35 ℃下的1.00C放電性能，結(jié)果見圖3、表3。

圖3 實驗電池的1.00 C低溫放電曲線

溫度/℃電池類別放電容量/mAh常溫低溫容量保持率/%中值電壓/V-20鋁殼10652.79148.585.882.73鋼殼10605.17424.670.012.70-35鋁殼10555.78475.280.292.53鋼殼10573.46152.758.192.49

同一類別電池，不同單體的容量差異在偏差范圍之內(nèi)(約1%)

從圖3可知，電池放電初期由于極化較嚴重，瞬間都有較大的電壓降，內(nèi)部反應穩(wěn)定后，電壓先回升、后緩慢下降至2.0 V。鋁殼電池-20 ℃時的容量約為9 000 mAh，-35 ℃時的容量約為8 000 mAh，較鋼殼電池高。從表3可知，端面焊電池在低溫下的容量保持率為85.88%，放電中值電壓都高于多極耳鋼殼電池-35 ℃時的容量保持率僅為58.19%。

2.4 安全性能

按QC/T743檢測標準對鋁殼單體電芯進行過充、過放、短路、針刺、熱沖擊、跌落及擠壓等測試，結(jié)果見表4。

表4 鋁殼電池的安全性能測試結(jié)果able 4 Safety performance test results of aluminum shell battery

從表4可知，測試電池的安全性能全部通過，實驗制成的端面焊鋁殼電池安全性能良好。

3 結(jié)論

本文作者采用端面焊技術(shù)制備38120型10 Ah鋁殼圓柱形LiFePO4動力鋰離子電池，以相同材料配比、采用多極耳工藝制備相同型號的鋼殼電池進行對比。測試了電池內(nèi)阻容量、倍率充放電、倍率循環(huán)、低溫放電等性能。

鋁殼電池的平均內(nèi)阻為1.6 mΩ，放電容量為10 648.5 mAh；電池以10.00C充電，充電恒流比為93.0%，1.00C充電、10.00C放電的容量為1.00C充放電時的99.2%，放電中值電壓為3.08 V；3.00C、6.00C循環(huán)300次，容量保持率在95.0%以上，10.00C循環(huán)300次，容量保持率為85.0%；電池低溫1.00C放電，容量保持在80%以上。相比多極耳鋼殼電池，端面焊鋁殼圓柱形LiFePO4動力鋰離子電池具有良好的循環(huán)、倍率和低溫性能。

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Preparing cylindrical LiFePO4power Li-ion battery by transverse welding technology

QIAN Long，XIAO Chao-shan，ZHANG Qin-yi，RAO Mu-min

(ShenzhenOptimumNanoEnergyCo.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong518118，China)

38120 type 10 Ah aluminum shell lithium iron phosphate(LiFePO4) power Li-ion battery was prepared by transverse welding technology，using LiFePO4as positive active material and graphite as negative active material. Compared with the multipolar ear steel shell battery，aluminum shell battery had smaller internal resistance，better cycle performance and low temperature performance. It had an average internal resistance of 1.6 mΩ，the galvanostatic charge ratio was 93.0%，the discharge capacity retention was 99.2%，the capacity could retain 85.0% after 300th cycle at 10C(3.65～2.00 V)； the 1Cdischarge capacity retention was 88.3% at -20 ℃ and 81.9% at -35 ℃. The battery could pass the QC/T 743 safety testing.

transverse welding； lithium iron phosphate； rate performance； cycle performance； low temperature

錢 龍(1986-)，男，湖南人，深圳市沃特瑪電池有限公司電芯研究所總監(jiān)，研究方向：鋰離子電池，本文聯(lián)系人；

TM912.9

A

1001-1579(2015)04-0218-03

2015-01-29

肖超善(1985-)，男，湖南人，深圳市沃特瑪電池有限公司電芯研究所項目主管，研究方向：鋰離子電池；

張秦怡(1988-)，女，陜西人，深圳市沃特瑪電池有限公司電芯研究所研發(fā)工程師，碩士，研究方向：動力電池；

饒睦敏(1984-)，男，廣東人，深圳市沃特瑪電池有限公司研究院院長，博士后，研究方向：鋰離子電池材料與技術(shù)。