高功率型鋰離子電池的研制

黃鋒濤

摘 要：采用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作為正極材料，石墨為負極材料，制成18650型/1300 mA·h功率型圓柱電池;該類電池5 C放電容量相當于1 C放電容量的99%，5 C循環測試900次后，容量剩余87%以上;經過針刺后，電池沒有起火爆炸。

關 鍵 詞：鋰離子電池;18650;功率;安全性

中圖分類號：TM 311 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1266-02

Preparation and Electrochemical

Performance of High Power Lithium Ion Battery

HUANG Feng-tao

（Department of Chemical Engineering，Shaanxi National Defense Industry Vocational Technology Institute，

Shaanxi Xian 710302，China）

Abstract： The 18650/1300 mA·h Li-ion batteries were prepared with LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 as positive electrode and graphite as negative electrode. The discharge capacity of the batteries at 5 C was about 99% of the capacity obtained at 1.0 C. The capacity was over 87% of the original capacity after 900 cycles. Furthermore， there was no exploding and fire when the batteries were short circuited by puncturing.

Key words： Lithium-ion battery;18650;Power;Safety

動力型電池要求具有高功率、長壽命和安全性等特性[1]。因此高功率型鋰離子動力電池有望成為未來電動汽車和其他電動工具的首選電源[2]。正極材料是決定鋰離子電池性能的最關鍵因素之一，錳酸鋰電池壽命較短，鈷酸鋰電池價格昂貴及電壓較低，磷酸鐵鋰電壓較低，等都是制約其發展的因素[3-5]。

層狀結構的鎳鈷錳三元材料[6]，由于放電容量高，電壓較高，價格相對于鈷酸鋰較低，又環保，壽命較長而備受關注。18650型電池[7]是一種常見的電池，具有廣泛的用途，特別是功率型的電池，應用于電動工具、電動玩具和電動自行車動力設備中。

本文研制出一種可以大功率長壽命的18650型鋰離子電池，以其滿足未來的電動市場。

1 實驗部分

1.1 電池的制備和組裝

正極部分以鎳鈷錳酸鋰、導電劑和粘結劑PVDF為原料，按照質量比為92：5：3混合容于溶劑NMP攪拌而成，將漿料均勻涂布于0.015 mm厚度的鋁箔上并烘干;負極以石墨、導電劑和粘結劑CMC為原料按照92.5：3：4.5混合攪拌速成，負極涂布于0.009 mm厚銅箔上并烘干。正極涂布面密度為18 mg/cm2，負極的單面涂布面密度為9.7 mg/cm2。正極壓實密度為2.70 g/cm3，負極極片壓實密度1.35 g/cm3正極極片裁片寬度為52 mm，負極極片為54 mm。正負極極片長度比為0.90，將負極片、隔膜（厚度為20 μm）、正極片和鋼殼在一起制成電池。

1.2 電化學性能測試

電池容量和壽命測試采用新威爾電池測試儀（BTS-5V3A），電池的倍率測試利用高功率電池測試儀（BTS-20V6A），電池安全性能以拜特電池測試儀（BSS2000）來測試。

2 結果與討論

2.1 電池容量與充放電曲線

圖1為三元材料制成的電池曲線圖，圖中電池的額度容量為1 420 mA·h，電池的充電平臺為3.5 V，平均電壓平臺為3.7 V，而且平臺平緩，平臺電壓部分容量為1 350 mA·h，占總容量的95%，放電電壓3.4V，平均電壓平臺為3 V，總平臺容量為1 340 mA·h，中總總放電容量的95%以上，充放電效率為99%。電池曲線平臺平緩，電壓較高，電池具有很好的充放電效率。

圖1 鎳鈷錳酸鋰電池的充放電曲線圖

Fig.1 The charge/discharge profiles of LiMn2O4 battery

2.2 電池不同倍率放電曲線

圖2是鎳鈷錳酸鋰18650功率型鋰離子電池在不同倍率下的放電曲線圖。圖中abcd依次分別為電池在0.2 C、1 C、5 C和10 C下不同倍率的放電曲線圖，其最初的電壓平臺由4.1 V逐漸降為3.40 V，在5 C倍率放電時，電池的電壓平臺開始顯著下降，而已10 C時下降最多，此時平均電壓平臺僅為3.3 V左右，這時由于電池材料的強烈的極化所致，與所用的電解液和材料本身有關，但是電池的放電容量在5 C和1 C倍率下相差無幾，5 C下的容量相對于1 C容量的98.8 %以上，容量幾乎無損失。表1中，不同倍率測試的放電容量和效率，電池在1至5 C下工作時，均可保持充放電效率的97%以上，說明電池保持了良好的放電效率。

圖2 電池的放電曲線圖

Fig.2 The discharge profiles of battery

表1 鋰離子電池不同倍率放電的容量

Table 1 Capacity of 18650 type Li-ion batteries discharged at different rates

2.3 循環性能曲線圖

圖3為電池的循環壽命圖，電池在25度環境下測試而成，電池以采取5 C倍率測試，即1 C恒流恒壓充滿，擱置20 min，后5 C放電，再擱置20 min，依次來測試電池壽命。圖中看到電池首次放電容量為1340 mA·h，電池容量以緩慢的速度衰減，經過900次連續充放電后，電池仍然保持首次容量的87%以上，即容量仍為1 208 mA·h以上。正極材料保持了完整的結構，鋰離子可以自由的嵌入和脫出。表現出了良好的循環性能和均衡性。

圖3 電池的循環曲線圖

Fig.3 The cyclic performance of battery

2.4 電池安全性能圖

圖4是電池的針刺效果圖，將電池以0.2 C倍率下恒流恒壓充滿電，擱置24 h后，將其放置在電池安全測試儀中，用4 mm的鋼針從電池的側面直刺透過去，然后保持60 s以上，但是電池的底部和頭部蓋帽部分無任何異動，蓋帽未彈出，但蓋帽里的安全閥打開。由于針刺是電池安全測試中最為極端的實驗，說明電池安全。

圖4 電池的針刺圖

Fig.4 The needling test of battery

3 結 論

利用鎳鈷錳酸鋰為正極和石墨負極成功制成18650型動力鋰離子電池，電池容量達1 300 mA·h以上，不同倍率下具有很高的充放電效率，電池在5 C倍率下測試循環壽命為900次以上，而且可以保持1 C容量的98.0%以上，具有很高的動力特性。經過極端針刺測試，電池安全可靠。

參考文獻：

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