導電涂層鋁箔對LiFePO4電池性能影響研究

陸衛忠，廖小珍，朱廣焱

(1.上海中興派能能源科技有限公司，上海201203；2.上海交通大學化工學院，上海200240)

導電涂層鋁箔對LiFePO4電池性能影響研究

陸衛忠1，廖小珍2，朱廣焱1

(1.上海中興派能能源科技有限公司，上海201203；2.上海交通大學化工學院，上海200240)

導電涂層鋁箔是在鋁箔上涂覆小于1m m的導電涂層，作為正極集流體在電池中使用。隨著動力電池的發展，對電池的性能要求越來越高，磷酸鐵鋰等納米級正極材料迅猛發展。導電涂層鋁箔作為解決納米級材料的加工問題和電性能提升的關鍵材料，也得到長足的發展。導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池的循環性能、倍率性能及低溫性能都有顯著提升。

導電涂層鋁箔；磷酸鐵鋰；電池性能

自從1997年Padhi等開創性地提出了鋰離子二次電池陰極材料LiFePO4以來，它一直是學者們研究熱點。相對于其它正極材料，LiFePO4有較高的比容量(約170m Ah/g)、平緩的充放電平臺、良好的可逆性、高安全性、廉價易于制備，且對環境友好，成為動力電池正極材料的最佳選擇[1]。為了提高磷酸鐵鋰電池的性能，使其更加適應儲能、電動汽車的應用需求，研究者們進行了多種嘗試。目前導電涂層鋁箔做為磷酸鐵鋰動力電池體系中的一種功能材料，在A123、BYD、ATL等國內外動力電池企業被廣泛使用，顯著地提高了電池的低溫性能、倍率性能、循環壽命等電性能。本文簡單闡述了導電涂層鋁箔的制備工藝，重點研究其對LiFePO4動力電池的電性能影響。

1 導電涂層鋁箔概況

如圖1所示，鋰離子電池包含正極、負極、隔膜、電解液、外包裝等。將活性物質與膠黏劑(PVDF)、導電劑(導電炭黑等)、溶劑(NMP)等攪拌均勻，調成合適的黏度，涂覆在集流體上，經歷烘干、輥壓，分切等一系列操作，制成電池極片。常規工藝中，正極及鈦基負極使用的集流體為10～30m m厚的鋁箔[2]。

導電涂層鋁箔實際上是集流體鋁箔的一種預處理技術。利用專用設備，將特制導電漿料均勻涂覆于鋁箔兩側，烘干后形成單面＜1m m厚的導電涂層。圖2是使用導電涂層鋁箔的極片結構示意圖。

圖1 圓柱鋰離子電池結構示意圖

圖2 使用導電涂層鋁箔的極片結構示意圖

導電漿料一般由膠黏劑及導電材料組成。商品化的產品工藝、配方均有一點差異。一般膠黏劑為丙烯酸體系，導電材料為導電石墨、VGCF、碳納米管、石墨烯等。涂層的涂覆工藝也大相徑庭，主要體現在加工設備上，現在最常用的是凹版印刷機和擠壓式涂布機。目前，導電漿料主要的供應商是德國漢高和日本昭和電工。國內僅有上海中興派能有系列的成熟產品推向市場。本文中后續實驗涂層均基于中興派能排號為PPC的涂層產品，如圖3、圖4所示。

圖3 PPC導電涂層鋁箔產品外觀

圖4 PPC導電涂層鋁箔SEM

2 導電涂層鋁箔對電池性能的影響

為了進一步研究導電涂層鋁箔對電池性能的影響，我們進行了一系列的對比試驗。實驗選用18650圓柱型電池。正極選用上海中興派能C60磷酸鐵鋰粉末，負極選用深圳貝特瑞AGP-3中間相碳微球，電解液選用東莞杉杉LD-2012，隔膜選用日本宇部20mm單層濕法PP隔膜。正極：質量比C60∶PVDF∶導電劑=93∶4∶3；負極：質量比AGP-3∶CMC∶SBR∶導電劑=95∶1∶2∶2。

對比組選用普通國產20mm鋁箔，實驗組對相同鋁箔進行預處理，涂覆雙面小于1mm的PPC導電涂層，其余制備工藝完全相同。

實驗組與對比組電池測試工作均在25℃恒溫實驗室內完成，低溫條件由恒溫恒濕箱提供測試環境。測試均在深圳新威爾專用鋰電池測試設備上完成。

從表1中可見，相同的設計下，使用導電涂層鋁箔的實驗組電池比使用光箔的對比組電池內阻低1～2mΩ，效果顯著。這是由于導電涂層有效減小了活性材料與集流體之間的接觸電阻導致的。

2.1 導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池循環性能影響

在動力電池的各種應用領域，電池的循環壽命直接決定了終端產品的壽命。目前各種鋰電池體系中，磷酸鐵鋰電池的壽命表現是最好的。

將D1和S1進行電池循環性能測試，考察容量保持率及平臺電壓穩定性。循環壽命測試的充放電制度為：1A恒流充電至3.65V，然后恒壓至電流為50mA，擱置10min，3A恒流放電至2.5V，擱置10min。平臺電壓的計算方法是放電總能量(Wh)/放電電流(A)。

如圖5所示，電池S1在循環初期，平臺電壓有一個小量的爬升，待電池內部穩定后，平臺電壓在前3000次循環中基本穩定在3.125V左右，而D1隨著電池循環的進行，平臺電壓一直在緩慢地下降，從初期的3.10V降低至3.07V左右。平臺電壓對于電池的功率輸出有極重要的意義，相同輸出電流下更高的平臺電壓意味著更高的功率輸出。同時，循環過程中穩定的平臺電壓更利于電池管理系統(BMS)對電池進行有效監控管理，能顯著提高電池使用過程中的可靠性。

圖5 循環過程中平臺電壓對比圖

從圖6中可見，使用導電涂層鋁箔的電池S1，相較于使用傳統鋁箔的D1，具有更好的循環壽命。循環3000次后，D1的容量保持率為90左右，根據已有數據，可預測循環壽命能達到6000次(容量保持率＞80%)，遠高于現階段對車用、儲能電池的壽命要求。

圖6 循環過程中容量保持率對比

2.2 導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池倍率性能影響

選取D2和S2進行倍率性能測試。用1A電流將兩組電池恒流充至3.65V，然后恒壓至電流為50mA，擱置10min后，進行20A放電至2.0V，考察容量保持率及放電平臺電壓。

從圖7可見，使用涂層的S2電池具有更高的放電電壓，容量保持率也優于D2電池。圖7的圈出部分可見，D2電池大電流放電過程中，在進入放電平臺電壓前出現了一個“坑”，而S2電池卻沒有出現。這說明使用導電涂層，可以顯著的減小電池放電過程中的極化。這一點在更大倍率的放電和低溫倍率放電時尤其重要。極化過大，瞬間的極化壓降就會使電池電壓低于截止電壓以下，導致放電終止。

圖7 電池20A放電測試

2.3 導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池低溫性能影響

選取D3和S3進行低溫放電測試。室溫下，用1A電流將兩組電池恒流充至3.65V，然后恒壓至電流為50mA。將電池放至－20℃的恒溫箱中擱置24h，然后1A放電至2.0V。

從圖8可見，S3的容量保持率為76%，遠高于D3的59%，同時，S3有更高的放電電壓，放電初期的極化壓降也較小。使用導電涂層鋁箔對提升低溫性能效果顯著。

3 結論

本文簡述了導電涂層鋁箔的發展概況。利用商品化的導電涂層鋁箔及成熟的工藝制備18650圓柱磷酸鐵鋰電池，同時制作同工藝的對比組電池(使用傳統鋁箔)，評估導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池基礎電性能的影響。得到以下幾點結論：(1)導電涂層鋁箔對電池容量發揮影響不大，但是可以顯著減小電池交流內阻；(2)導電涂層鋁箔可以有效提升磷酸鐵鋰電池的循環壽命及循環過程中的電壓穩定性；(3)導電涂層鋁箔對高倍率下容量保持率影響不大，但是可以顯著提高放電平臺電壓；(4)導電涂層鋁箔對磷酸鐵鋰電池低溫性能提升顯著，－20℃下可提高接近20%的容量保持率，同時顯著提高放電電壓，減小極化。

圖8 －20℃低溫放電測試

隨著電動汽車對磷酸鐵鋰電池的循環壽命、低溫壽命、一致性等有越來越高的要求，很多科研院所、企業都在進行工藝優化，以期達到應用需求。導電涂層鋁箔作為一種近幾年才被引入電池領域的新產品，將會發揮越來越重要的作用。

[1]王連亮.鋰離子電池征集材料LiFePO4的結構和電化學反應機理[J]．化學通報，2008(1)：17-23.

[2]JUGOVICD.Areviewofrecentdevelopmentsinthesynthesisproceduresoflithiumironphosphatepowders[J]．JournalofPower Sources，2009，190：538-544.

Research on effectof conductive pre-coating aluminum foilon LiFePO4battery performance

LUWei-zhong1，LIAO Xiao-zhen2，ZHU Guang-yan1
(1.ShanghaiPylon Technologies Co.，Ltd.，Shanghai201203，China;2.SchoolofChemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

The conductive pre-coating alum inum foil is the alum inum foilw hich is coated conductive coating less than 1m m，as the cathode collector used in the battery.W ith the developmentof the battery，the battery performance requiremen ts are higher，and nano-scale cathode m aterials such as LiFePO4develop rap id ly.As an im portant material，pre-coating alum inum foilalso develops rapidly.The pre-coating alum inum foil can significantly improve cycle perform ance，rate capability and low tem perature perform ance of the LiFePO4battery.

conductive pre-coating alum inum foil;LiFePO4;battery performance

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1347-03

2015-12-02

陸衛忠(1984—)，男，江蘇省人，工程師，碩士，主要研究方向為鋰離子電池。