基于二元高鈷材料的鋰離子聚合物電池開發

佟 健,李碧平

(1.TCL金能電池有限公司,廣東惠州 516005;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

基于二元高鈷材料的鋰離子聚合物電池開發

佟 健1,李碧平2

(1.TCL金能電池有限公司,廣東惠州 516005;2.湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

對一種新型的二元高鈷材料進行了物理、化學、形貌及晶體結構指標測試,并應用該材料作為正極進行了鋰離子聚合物電池的開發,對使用該材料體系的鋰離子聚合物電池進行了比容量、倍率性能、不同溫度放電性能、高溫貯存性能、循環性能以及安全性能等綜合測試,測試的結果表明,這種二元高鈷材料完全滿足鋰離子聚合物電池的要求。

二元高鈷材料;鋰離子聚合物電池;比容量;循環性能

在商品化的鋰離子電池中,正極材料顯著影響離子電池的循環、高溫、容量等性能,目前比較普遍使用的正極材料包括鈷酸鋰、三元、尖晶石錳酸鋰及二元NCA材料,對這些材料的研究改進及應用的研究仍然是材料及鋰電池行業的發展方向[1～4],同時由于鈷酸鋰價格較高,三元及尖晶石錳酸鋰的能量密度較低,所以高容量的二元材料一直是材料開發的熱點,目前主要都集中在二元高鎳材料NCA的開發上,在日本已經在較多的應用領域使用到了該材料,但是二元高鈷材料的開發及應用相對比較少,由于二元高鈷材料的價格較鈷酸鋰低且能量密度與鈷酸鋰相當,國內已有一些材料廠家持續在進行此類材料的開發并已經形成量產,目前國內已經開始在一些數碼產品領域的鋰離子電池上應用到此類二元高鈷材料。

1 實 驗

1.1 電池的參數設計

鋰離子聚合物電池的設計參數見表1。

表1 電池的設計參數

1.2 電池制作及性能檢測

按044261型號的生產工藝,將二元高鈷材料作為正極活性物質應用到鋰離子聚合物電池中,對二元高鈷材料進行了物理及化學性能、掃描電鏡及X射線衍射的測試;電池的初始性能、倍率放電、循環性能等測試在藍電電池測試儀上進行;不同溫度放電、高溫貯存性能在恒溫恒濕箱及藍電電池測試儀上進行。

2 結果和討論

2.1 材料的物理及化學指標測試

二元高鈷材料的粒度,振實密度及比表面積測試結果見表2。

表2 材料的物理性能

從表2中材料的物理性能測試看,該材料具有較高的振實密度及較小的比表面積,具備很好的加工性能,滿足鋰離子聚合物電池正極材料的極片加工要求。

二元高鈷材料的主元素含量測試結果見表3。

表3 材料的主元素含量

從表3中元素的含量來看,其中的Mn含量為常量,故此材料應存在含錳的二元或三元材料。

2.2 材料的掃描電鏡測試

二元高鈷材料的SEM測試如圖1所示。

從圖1的SEM圖來看,材料中存在一次的單晶顆粒及二次團聚的顆粒,應當為一種混合的正極。

圖1 材料的SEM圖

2.3 材料的X射線衍射測試

二元高鈷材料的XRD圖譜如圖2所示。

圖2 材料的XRD圖

從圖2中的XRD圖譜來看,此材料存在兩種物質的特征衍射峰:一種是鈷酸鋰;一種是鎳錳二元材料。

通過以上材料的測試及分析來看,這種二元高鈷材料為一種鈷酸鋰與鎳錳二元材料的的混合材料。

2.4 電池初始下線性能

采用這種材料作為正極活性材料制備的鋰離子聚合物電池化成分容后的性能數據見表4。

表4 電池的初始性能

從表4中的初始性能數據來看,電池下線容量滿足設計要求,厚度及內阻正常,電池具有較高的能量密度;此材料的克容量較鈷酸鋰要高4 mAh/g左右。

2.5 電池的循環性能

電池的循環性能數據見表5,1C充放循環容量保持率如圖3所示。

表5 電池的循環性能

圖3 電池的循環容量保持率曲線

從表5和圖3中的300周容降數據來看,電池的容降在10.0%左右,電池的循環性能及一致性都較好,說明此材料具有很好的循環性能。

2.6 電池安全性能

參照UL1642的標準及國標 GBT18287-2000對電池進行了安全性能的測試,結果見表6。

表6 電池的安全性測試

從表6中的測試結果看,電池的整體安全性很好,滿足所有的安全指標測試要求,僅電池的安全性而言,要好于鈷酸鋰材料,與三元材料比較接近。

2.7 倍率放電性能

電池不同倍率下的放電容量及曲線如圖4所示。

從圖4的曲線可以看出,電池的放電平臺較鈷酸鋰略低一些,但是能夠滿足產品的實際使用要求。

圖4 電池的倍率放電曲線

2.8 不同溫度放電性能

電池不同溫度下的放電容量及曲線如圖5所示。

圖5 電池的不同溫度放電曲線

從圖5的曲線看,該材料高溫60℃下的容量發揮要好于常溫,有著同三元材料相近的特性,低溫性能較正常鈷酸鋰的要低一些,但是能滿足實際使用要求。

由于-10℃測試時采用的是0.2C放電,其余溫度下均為為0.5C放電,故-10℃下的放電平臺反而高于0℃下的放電平臺,這主要是由于放電電流不同所導致。

2.9 高溫貯存性能

電池高溫85℃4 h滿電貯存的測試數據見表7。

從表7數據可以看出,此材料具有很好的高溫性能,滿電狀態下85℃貯存4 h之后電池的厚度膨脹率遠小于10.0%的要求,從容量恢復率來看,電池的容量恢復率也遠高于85%的要求。

表7 電池的高溫測試

3 結 論

這種新型的二元高鈷材料不僅克容量高,同時還具有很好的循環性能,高溫貯存性能及安全性能,倍率放電及不同溫度放電也都能滿足實際使用的要求,因此,這種材料完全可以在鋰離子聚合物電池上應用。不僅能夠降低電池的成本,而且能夠改善和提高電池的安全性。

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The Exploitation of Lithium-ion Polymer Battery Based on Dualistic Material of High Cobalt

TONGJian1,LI Bi-ping2
(1.TCL Hyperpower Batteries Inc,Huizhou516005,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

In the paper a dualistic materl of high cobalt was tested,including physics,chemistry,morphology and crystal structure test.And the exploitation of lithium-ion polymer battery used the material as the anode.The performance of lithium-ion polymer battery used the material were tested such as specific capacity,rate discharge character,discharge capability in different temperature,full-charge storage capability for high temperature,cycle life and safety character.The test results show that the dualistic materl of high cobalt fully meets the requirements of lithium-ion polymer battery.

dualistic materl of high cobalt;lithium-ion polymer battery;specific capacity;cycle performance

TM912.9

A

1003-5540(2012)03-0050-03

佟健(1976-),男,工程師,主要從事電池材料及鋰離子電池的開發研究工作。

2012-03-16