鋰離子電池的低溫性能改善

侯文秀，肖晶晶

（1.武漢大學(xué)化學(xué)與分子學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢力興電源股份有限公司，湖北 武漢，430223）

鋰離子電池的低溫性能改善

侯文秀1，2，肖晶晶2

（1.武漢大學(xué)化學(xué)與分子學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢力興電源股份有限公司，湖北 武漢，430223）

研究了鋰離子電池碳納米管導(dǎo)電劑（CNTs）、電解液對(duì)鋰離子電池-40℃低溫放電性能的影響。以額定容量為2750mAh的INPP78／34／95鋰離子電池為例，在-40℃下，負(fù)極中添加了CNTS的電池的放電電壓平臺(tái)比負(fù)極中添加SP的電池的放電電壓平臺(tái)提高0.17V，低溫放電容量提高了7.5%。

鋰離子電池；碳納米管；-40℃低溫放電；電解液

傳統(tǒng)鋰離子電池的工作溫度一般為-20～55℃，但某些特殊領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池使用溫度拓寬為-40～55℃，而傳統(tǒng)鋰離子電池在-40℃的放電容量只有室溫容量的30%左右，個(gè)別鋰離子電池在-40℃低溫下甚至啟動(dòng)不了。

-40℃的低溫放電對(duì)使用有機(jī)電解液的鋰離子電池來說比較苛刻，影響鋰離子電池-40℃低溫性能的因素很多，如正負(fù)極顆粒度、極片厚度、隔膜厚度、電解液、導(dǎo)電劑等。對(duì)于正負(fù)極顆粒度、極片厚度、隔膜厚度大家研究較多，基本摸索到了較成熟的工藝。但對(duì)于電解液和導(dǎo)電劑這兩個(gè)主要因素研究相對(duì)較少。在低溫下電解液電導(dǎo)率急劇降低，另外鋰離子在低溫下在石墨負(fù)極中擴(kuò)散速度也變慢，這兩者均會(huì)導(dǎo)致電池的極化急劇增大，從而嚴(yán)重影響電池低溫性能。

本文作者以 INPP78／34／95為載體進(jìn)行研究，在保證正負(fù)極顆粒度、極片厚度、隔膜厚度的前提下試圖通過優(yōu)化電解液和導(dǎo)電劑的種類及用量來改善鋰離子電池的-40℃低溫放電容量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)電池的制備

正極為 LiNixCo1-2xMnxO2（美國產(chǎn)，99.9%），負(fù)極為人造石墨（珠海產(chǎn)，99.9%），隔膜為Celgard 2500（美國產(chǎn)），外包裝為鋁塑包裝膜，制作成標(biāo)稱容量為 2750 mAh 的 INPP78／34／95 型號(hào)電池，在手套箱內(nèi)分別注入電解液A（張家港產(chǎn)）、電解液B（蘇州產(chǎn)）、電解液 C（深圳產(chǎn)），各生產(chǎn) 50 只，分別標(biāo)記為A、B、C電池，經(jīng)測試最終確定采用電解液B（蘇州產(chǎn)）。然后再分別在負(fù)極中添加1%的SP和1%的CNTs，各生產(chǎn)50只，研究電解液、導(dǎo)電劑對(duì)電池低溫放電性能的影響。

1.2 性能測試

采用LX-PCBT-110鋰離子電池測試系統(tǒng)（武漢產(chǎn)）和MTC-63CS11C恒溫恒濕箱（東莞產(chǎn)）進(jìn)行性能測試。

電池在室溫 （23±2）℃下以0.20 C恒流充電至4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電至0.05 C，然后在（23±2）℃下以0.20 C放電到2.5 V，記錄放電容量。

電池在室溫 （23±2）℃下以0.20 C恒流充電至4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電至0.05 C，然后在-40℃的低溫箱中放置16 h，接著在-40℃下以0.20 C放電到2.5 V，記錄放電平臺(tái)和放電容量并跟常溫容量做比較。

電池在室溫 （23±2）℃下以0.20 C恒流充電至4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電至0.05 C，然后在55℃的低溫箱中放置8 h，接著在55℃下以0.20 C放電到2.5 V，記錄放電容量并跟常溫容量做比較。

電池在室溫 （23±2）℃下以0.20 C恒流充電至4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電至0.05 C，然后在室溫下，用一個(gè)直徑為φ3 mm的鋼釘 （垂直于寬度的方向）穿過電池中心，并將釘子停留在電池中30 s，記錄電池溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解液對(duì) INPP78／34／95電池低溫性能、高溫性能、安全性能的影響

從表1可知，綜合考慮電池的低溫性能、高溫性能和安全性能，電解液B（蘇州產(chǎn)）綜合性能最佳。

表1 不同電解液對(duì)INPP78／34／95電池電性能和安全性能的影響Table 1 Electricity and safety performance of INPP78 ／34 ／95 using different electrolyte

2.2 導(dǎo)電劑對(duì) INPP78／34／95電池低溫性能的影響

分別取3只以CNTs為導(dǎo)電劑的電池和3只以SP為導(dǎo)電劑的電池，先在常溫下測試容量，然后再測試-40℃放電平臺(tái)和放電容量。

在-40℃低溫下，測試的兩種電池的放電平臺(tái)見圖1。從圖1可知，以CNTs為導(dǎo)電劑的電池低溫放電平臺(tái)比以SP為導(dǎo)電劑的電池低溫放電平臺(tái)平均高 0.17 V。

圖1 INPP78／34／95 CNTs和SP導(dǎo)電劑電池低溫放電平臺(tái)Fig.1 The discharge voltage platform of INPP78 ／34 ／95 at-40℃using CNTs and SP

在-40℃低溫下測試的兩種電池的放電容量跟常溫容量比例見圖2。從圖2可知，以CNTs為導(dǎo)電劑的電池低溫放電容量比以SP為導(dǎo)電劑的電池低溫放電容量高7.5%，且低溫性能比較一致。

圖2 INPP78／34／95 CNTs和SP導(dǎo)電劑電池低溫放電容量百分?jǐn)?shù)Fig.2 The percent of capacity of INPP78 ／34 ／95 at-40℃using CNTs and SP

2.3 CNTS導(dǎo)電劑循環(huán)性能

INPP78／34／95 CNTs導(dǎo)電劑 1 C 和 2 C 循環(huán)情況見圖3。從圖3可看出，CNTs導(dǎo)電劑電池在常溫下不管是1.0 C還是2.0 C循環(huán)性能均良好，第300次循環(huán)的容量保持率均在95%之上。

圖3 INPP78／34／95 CNTs導(dǎo)電劑1 C和2 C循環(huán)情況Fig.3 1.0C and 2.0C cycle performance of battery at normal temperature

從圖2和圖3可看出，在-40℃低溫下，鋰離子電池的放電平臺(tái)和放電容量均有所降低。這是因?yàn)樵?40℃低溫下，電池的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率均有所降低，甚至?xí)沟貌糠秩軇┠蹋@會(huì)導(dǎo)致鋰離子的遷移數(shù)減少，同時(shí)遷移速度也會(huì)減慢，導(dǎo)致電池的電化學(xué)極化、歐姆極化和濃差極化內(nèi)阻增大，因此鋰離子電池在-40℃低溫下過早地達(dá)到放電終止電壓而結(jié)束放電，從而導(dǎo)致電池的放電平臺(tái)和放電容量均降低。

CNTs導(dǎo)電劑具有中空纖維結(jié)構(gòu)，此獨(dú)特的結(jié)構(gòu)很易在電極中搭建很好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)把正負(fù)極活性物質(zhì)牢牢地網(wǎng)住，使得正負(fù)極活性物質(zhì)跟CNTs導(dǎo)電劑緊密相連，為電子在電極中的運(yùn)輸提供了一個(gè)快速通道，提高了電極的導(dǎo)電能力能力。而SP為小顆粒狀，易陷入由活性物質(zhì)顆粒形成的空隙中，起不到導(dǎo)電劑或只有部分起到導(dǎo)電劑的作用。而且，在構(gòu)建相同長度的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的情況下，SP導(dǎo)電劑之間的接觸點(diǎn)遠(yuǎn)多于CNTs導(dǎo)電劑之間的接觸點(diǎn)，導(dǎo)致電阻較大。

另外，導(dǎo)電劑不僅具有導(dǎo)電作用還有吸液保液作用，CNTs導(dǎo)電劑這個(gè)中空結(jié)構(gòu)可作為電解液的倉庫，這方便了鋰離子在電極中的運(yùn)輸，從而使得鋰離子在正負(fù)極間更容易嵌入和脫嵌，減小了電池極化，提高了電池尤其是低溫下的放電平臺(tái)和放電容量。

3 結(jié)論

在正、負(fù)極顆粒度、極片厚度、隔膜厚度達(dá)到要求的前提下，電解液和導(dǎo)電劑的種類是影響電池-40℃放電性能的關(guān)鍵因素。在同樣用量前提下，導(dǎo)電劑材料種類對(duì)低溫下活性物質(zhì)的利用率和電極容量發(fā)揮有較大影響。

用蘇州產(chǎn)電解液，CNTs導(dǎo)電劑做成標(biāo)稱容量為 2750 mAh的 INPP78／34／95鋰離子電池，在-40℃下，負(fù)極中添加了CNTS的電池的放電電壓平臺(tái)比負(fù)極中添加SP的電池的放電電壓平臺(tái)提高0.17 V，低溫放電容量提高了7.5%。

用蘇州產(chǎn)電解液，CNTs導(dǎo)電劑做成標(biāo)稱容量為 2750 mAh 的 INPP78／34／95 鋰離子電池，1 C和2 C倍率循環(huán)350次，容量保持率在95%以上，循環(huán)性能優(yōu)秀。

［1］ ZHANG Wan-hong （張萬紅），F(xiàn)ANG Liang （方亮），YUE Min（岳敏），YU Zuo-long（于作龍）.碳納米管用于鋰離子電池負(fù)極材料［J］.Battery Bimonthly（電池），2006，36（1）：50-51.

［2］ WANG Hong-wei （王洪偉），DU Chun-yu 杜春雨），WANG Chang-bo（王常波）.鋰離子電池的低溫性能研究 ［J］.Battery Bimonthly （電 池 ），2009，39 （4）：208-2010.

［3］ CHEN Xing-bao（陳性寶）.聚合物鋰離子電池-40℃放電的影響因素［J］.Battery Bimonthly（電池），2009，39（4）：216-217.

Improvement of Low Eemperature Performance of Li-ion Battery

HOU Wen-xiu1，2， XIAO Jing-jing2
（1.College of Chemistry and Molecular Sciences， Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Wuhan Lixing （Torch） Power Sources Co.LTD.，Wuhan 430223，China）

The influences of carbon nanotubes （CNTs） and electrolyte at-40℃ discharge performance of Liion battery were studied.When discharge at-40℃，the discharge voltage platform of battery of INPP78／34／95（norminal capacity was 2750mAh） with CNTs added into anode electrode was about 0.17V， and higher than the battery with SP added into anode electrode.The discharge capacity was improved 7.5%.

Li-ion battery；carbon nanotubes；discharge at-40℃；electrolyte

TM 91

A

1671-9905（2011）04-0006-03

侯文秀（1973-），女，湖北人，武漢大學(xué)化學(xué)與分子學(xué)院碩士生，武漢力興電源股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：化學(xué)電源

2010-12-14