鋰離子電池油性陽極性能研究

廖小東，黃 菊，王榮貴，胡蘊成

(中國東方電氣集團有限公司中央研究院新能源與發電技術研究所，四川成都611731)

鋰離子電池油性陽極性能研究

廖小東，黃 菊，王榮貴，胡蘊成

(中國東方電氣集團有限公司中央研究院新能源與發電技術研究所，四川成都611731)

制備了油性陽極和水性陽極兩種不同的陽極，并研究了兩者的低溫、常溫及高溫循環、不同倍率、高低溫、混合脈沖功率上的性能，從各個電性能的測試結果來看，油性陽極的倍率以及高低溫特性均優于水性陽極，顯示出良好的功率特性。但在高溫循環上，水性陽極表現出較好的性能。

鋰離子電池；油性；水性；陽極；功率

隨著全球性的能源短缺、環境污染和氣候變暖問題日益突出，積極推進能源革命，大力發展可再生能源，加快新能源推廣應用，已成為各國各地區培育新的經濟增長點和建設資源節約型、環境友好型社會的重大戰略選擇。因此，電動汽車作為未來替代燃油車的發展趨勢，由于其相比與傳統燃油車具有零排放、無污染，前景被廣泛看好。動力電池是電動汽車的核心，電動汽車上應用最廣泛的動力電池是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，且存在嚴重的酸污染和鉛污染，正逐漸被其他電池所取代。正在發展的電池主要有鈉硫電池、鎘鎳電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等，這些新型電源的應用，為電動汽車的發展開辟了廣闊的前景。和其它動力電池相比，鋰離子動力電池以其長壽命和高比能量等優勢廣泛應用于電動汽車上[1]，商品化的鋰離子動力電池中大多采用鋰過渡金屬氧化物/石墨體系。前人已對鋰離子電池粘結劑進行過研究和總結[2-9]，從各個廠家的生產情況來看，石墨體系多采用水性體系配料，水性體系無法滿足對車用鋰離子動力電池的功率特性的要求，提高鋰離子電池的功率特性對大規模推廣電動汽車有極其重大的意義。

油性陽極是指粘結劑為PVDF，用NMP作為溶劑的陽極配方[7-9]，水性陽極是指粘結劑為SBR[2，5]，用去離子水作為溶劑的陽極配方。我們研究了油性陽極和水性陽極的配方，深入分析了兩種配方對電池電性能的影響。

1 實驗

1.1 主要材料和儀器

磷酸鐵鋰、石墨、NMP、導電炭黑、隔膜(Celgard2300)、PVDF(HSV900)、CMC、SBR、銅箔集流體10μm、鋁箔集流體16μm、電解液、攪拌機、涂布機、BT2000電池測試儀。

1.2 實驗過程

將磷酸鐵鋰、導電炭黑、PVDF按95%∶2%∶3%的質量比混合攪拌成漿料，并用涂布機將漿料涂在16μm的鋁箔集流體上，并通過輥壓制成陰極極片；將石墨、CMC、SBR按94.5%∶1.5%∶2.5%的質量比混合攪拌成漿料，并用涂布機將漿料涂在10μm的銅箔集流體上，并通過輥壓制成水性陽極極片；將石墨、導電碳黑、PVDF按94.5%∶1.5%∶4%的質量比混合攪拌成漿料，并用涂布機將漿料涂在10μm的銅箔集流體上，并通過輥壓制成油性陽極極片。將以上制好的極片按陰極、隔膜、陽極的順序卷繞，注液，制成1.2 Ah的18650單體電池。

2 結果與討論

2.1 性能比較

表1為油性陽極和水性陽極的質量比容量比較，從表1可見樣品B油性陽極的質量比容量比樣品A水性陽極低，僅為124 mAh/g，究其原因可能是PVDF為線狀粘結劑，且PVDF中含有微孔，鋰離子通過微孔嵌入石墨中，有一部分鋰離子無法從微孔中脫出，導致了一部分不可逆的容量損失，從而引起質量比容量偏低。

表1 油性陽極與水性陽極的質量比容量發揮

2.2 低溫充放電性能

圖1為油性陽極與水性陽極0℃低溫充放電性能對比。從圖1可見，兩種電池在經過0℃ 15個循環后，油性陽極的容量保持率依然在95%左右，而水性陽極的容量保持率下降到了90%。滿充后拆解電池發現，油性陽極的陽極極片呈現石墨滿充電后特有的金黃色，水性陽極的陽極極片則出現部分析鋰現象。析鋰是導致容量不可逆損失的根本原因，與循環曲線中水性容量下降的情況一致。

圖1 油性陽極與水性陽極0℃15個循環曲線

圖2 油性陽極與水性陽極在25與45℃下的循環曲線

2.3 循環性能

圖2為油性和水性兩種電池在25、45℃下的循環曲線，用4 A電流充電，6 A電流放電，充放電區間為2.5～3.65 V。從圖2可見，常溫25℃下，油性陽極的循環性能較水性的稍好，在循環800次的時候，油性陽極的容量保持率在95%，水性陽極的容量保持率在93%；45℃下，油性陽極和水性陽極的循環性能差異不大。

2.4 放電倍率性能

表2為油性和水性兩種電池在不同放電電流下的倍率特性曲線以及溫升變化，均用1電流充電，充放電電壓區間為2.0～3.65 V。從放電比率中可看出，油性陽極的倍率特性在20的時候比水性高約3%。從溫升上可看出，油性陽極在10、20的放電電流下溫升比水性陽極低，顯示出油性陽極很好的倍率特性。

表2 油性陽極與水性陽極的倍率特性曲線及溫升變化

2.5 高低溫性能

表3 油性陽極與水性陽極在不同溫度下的放電特性 %

2.6 混合脈沖功率特性(HPPC)

圖3為兩種電池的混合脈沖功率特性，混合脈沖功率特性主要是用來評價動力電池的功率特性，一般取50%下的功率值作參考。從圖3可見，油性陽極在50%下的比功率約1 900 W/kg，水性陽極在50%下比功率約為1 600 W/kg，油性比水性高出了約300 W/kg，顯示出油性陽極良好的功率特性。

圖3 油性陽極與水性陽極的HPPC曲線

3 結論

我們通過兩種不同的陽極配方，油性陽極和水性陽極并對比了兩者的質量比容量發揮、低溫、常溫及高溫循環、倍率、高低溫、混合脈沖功率上的性能，從各個電性能的測試結果來看，油性陽極的倍率、高低溫特性、混合脈沖功率均優于水性陽極，常溫、高溫循環均跟水性陽極差不多，顯示出良好的功率特性，質量比容量比水性陽極特性差。究其原因為，SBR與活性物質的連接方式為點狀連接，SBR本身不傳導離子，向石墨層間的擴散受到較大阻礙，尤其在低溫和大電流充電的過程，阻力尤其明顯，其結果是陽極析鋰；PVDF與活性物質的連接方式為線狀連接，PVDF含微孔，可傳導離子，給鋰離子傳輸提供了更多通道，使鋰離子能順利的向石墨層間擴散，低溫和大電流充電性能好，但由于微孔的原因導致一部分鋰離子放電時無法從微孔中脫出，產生了不可逆容量損失，導致質量比容量發揮偏低。

我們將在保持油性陽極良好倍率特性的同時，改善油性陽極的質量比容量發揮。

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Performance study of oil-based anode for lithium ion battery

LIAO Xiao-dong,HUANG Ju,WANG Rong-gui,HU Yun-cheng

Two different anodes,oil-based and water-based anodes,were made.The cycle performance at low temperature, normal temperature, high temperature and HPPC were investigated. The results show the rate performance and properties at high and low temperatures of the oil-based anode are better than the performance of the water-based anode,showing good power performance.The water-based anode shows better performance when cycling at high temperature.

lithium ion battery;oil-based;water-based;anode;power

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0729-03

2014-09-01

廖小東（1982—），男，四川省人，碩士生，主要研究方向為儲能電站。