不同導電劑體系對LiFePO4鋰離子電池性能的影響

高嬌陽，平麗娜

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

不同導電劑體系對LiFePO4鋰離子電池性能的影響

高嬌陽，平麗娜

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

研究了不同導電劑體系(Super P、VGCF)的LiFePO4鋰離子電池的性能。利用SEM及充放電方法對極片表面形貌和電池的電化學性能進行了表征和測試。SEM測試表明，VGCF分散性能良好，在正極片中形成良好的三維導電網絡結構。極片面電阻測試表明，添加VGCF后正極片面電阻明顯降低。電性能測試表明，添加VGCF的電池性能明顯優于SP作導電劑的電池，大倍率放電性能改善明顯，常溫1C/2C循環700次容量保持率分別為99.40%和94.86%。

鋰離子電池；導電劑；倍率性能；循環性能

作為鋰離子電池目前常用的正極材料之一，LiFePO4是一種半導體材料，導電性較差(電導率10－9S/cm)，通常在材料合成階段選擇碳包覆或摻雜工藝，在電池生產階段選擇添加導電碳黑Super P和導電石墨KS-6，也有電池廠家選擇添加CNTs、科琴黑(KB)、石墨烯或碳纖維(VGCF)等復合導電劑[1-8]。

Super P/KS-6復合應用能有效填充正極材料顆粒間隙，但遠程顆粒連接效果較差，導電能力受限。VGCF作為高強度纖維狀導電劑，可提高電極材料在充放電過程中的導電性、導熱性及電解液浸潤性。小顆粒導電碳黑SP易陷于活性材料孔隙中，導電性能變差，而VGCF長徑比很大，容易在電極中構建點線均勻結合的導電網絡，因此在保證電池性能的前提下，可大幅度降低導電劑用量，提高正極材料比例，進而提高電池能量密度[9-10]。

本文研究了不同導電劑在鋰離子電池正極體系中的應用，對比測試了扣式電池、軟包電池倍率和循環等性能差異。

1 實驗

1.1 實驗電池的制備

1.1.1 扣式電池的制備

制備不同體系的正極漿料，配比見表1所示。正極漿料組分為磷酸亞鐵鋰(LiFePO4，臺灣產，電池級)，導電碳黑Super P(瑞士產，電池級)，VGCF(日本產，電池級)和水性粘結劑LA132(四川產，電池級)。漿料經涂覆、輥壓、沖片后待用，以金屬鋰片(上海產，電池級)為負極，選擇32 μm隔膜(深圳產，電池級)，在充滿氬氣的手套箱中組裝LiFePO4/Li CR2032型扣式實驗電池，電解液(北京產，電池級)用量為0.5 g。

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1.1.2 軟包電池的制備

分別按表1配比合漿，并涂覆在厚度為20 μm的鋁箔(河北產，電池級)上，涂覆面密度330 g/m2；將質量比為94.0∶4.2∶0.7∶1.1的人造石墨(江西產，電池級)、水性粘結劑LA132(四川產，電池級)、羧甲基纖維素鈉(英國產，電池級)、Super P(瑞士產，電池級)與適量去離子水混勻制備成負極漿料，并涂覆在12 μm厚的銅箔(河南產，電池級)上，涂覆面密度160 g/m2。極卷經干燥、分切、輥壓(正極片厚度0.168 mm，負極片厚度0.122 mm)后待用。對負極片、隔膜及正極片進行Z字型疊片，制作軟包裝電池，額定容量為5 Ah，注液量30 g。

1.2 物理性能測試

1.2.1 極片SEM測試

用掃描電子顯微鏡(蔡司EVO18，德國產)分析兩種正極片表面顆粒形貌及導電劑分布情況。

1.2.2 極片面電阻測試

用內阻測試儀(HIOKI)分別測試兩種正極片不同狀態下的面電阻。測試方法：將極片置于測試模具中，接觸面為圓面(Φ8 mm，材質為Cu)，壓力20 N，外接內阻測試儀，即可讀取面電阻數值，適用于同期對比分析。

1.3 電化學性能測試

1.3.1 扣式半電池測試

應用測試系統(武漢藍電)對扣式電池進行充放電測試。以0.1C恒流充電至截止電壓4.2 V，然后恒壓充電，截止電流0.02C，再以0.1C恒流放電至2.5 V，循環一次，然后以0.3C恒流恒壓充電至4.2 V，截止電流為0.02C，最后分別以0.3～3C倍率放電至2.5 V，各步驟時間間隔10 min。

1.3.2 軟包電池倍率放電測試

應用動力電池測試裝置(廣州擎天)對軟包裝電池進行倍率性能測試。電池以0.3C恒流恒壓充電至3.65 V，以0.3C電流放電至2.5 V，循環3次；最后分別以0.5～10C倍率放電至2.5 V，各步驟時間間隔30 min。

1.3.3 軟包電池循環測試

應用可逆電池測試系統(廣州藍奇)對軟包裝電池進行循環測試。電池以0.3C(1C=5 A)恒流恒壓充電至3.65 V，截止電流0.05C；電池以0.3C恒流放電至2.5 V；然后進行1C/2C循環測試，電壓范圍2.5～3.65 V，各步驟時間間隔10 min，循環次數700次。

2 結果與討論

2.1 物理性能測試

2.1.1 SEM

分別對兩種導電劑體系LiFePO4極片進行SEM分析，結果如下。圖1(a)、(b)為體系A(2%SP+2%VGCF)的極片，(c)、(d)為體系B(5%SP)的極片。

從圖1(a)和(b)可看出，LiFePO4極片表面材料分布均勻，顆粒之間接觸緊密，SP粒子有效分布于活性物質形成的孔隙中，VGCF有效分散于活性材料表面，形成了相對完整連續的導電網絡。從圖1(c)和(d)可以看出，極片表面較為平整，形成分布較均勻的孔洞，SP填充在LiFePO4顆粒孔隙，且存在團聚現象，顆粒之間接觸不夠充分，未形成良好的導電網絡。

2.1.2 極片面電阻測試

利用測試模具與內阻測試儀相結合，測試不同狀態極片的面電阻，如表2所示。

圖1 不同導電劑體系LiFePO4正極片SEM圖[SP+VGCF：(a、b)，SP：(c、d)]

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通過數據對比可以看出，同種狀態下的極片，添加VGCF(體系A)的極片面電阻明顯降低，表明VGCF的加入提高了顆粒之間及顆粒與集流體之間的接觸程度，增強了正極導電性。碳纖維與顆粒狀導電炭黑相比，電子傳輸特性優良，另外顆粒狀導電炭黑由于顆粒之間的接觸點較多，從而導致接觸電阻大大增加。

2.2 電化學性能

2.2.1 扣式電池

表3給出了兩種導電劑體系的LiFePO4極片進行扣式電池性能測試的結果。添加VGCF后，正極材料克容量明顯提升，0.1C首次放電克容量分別為159.7(體系A)和154.1 mAh/g(體系B)，首次效率及電壓平臺均有一定程度的提高。

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2.2.2 倍率性能

分別對兩種導電劑體系的LiFePO4軟包電池進行倍率性能測試，結果如下。由表4和圖2可以看出，同種放電倍率下，添加VGCF的電池放電容量保持率較高(vs.0.3C)。隨著放電倍率的逐漸提高，未添加VGCF的電池容量衰減速度明顯比添加VGCF的電池要快得多，兩者差別更明顯。

0.3C/0.3C100 3.235 100 3.247 0.3C/1C95.09 3.177 91.54 3.184 0.3C/5C87.47 2.930 83.81 2.942 0.3C/10C62.31 2.630 27.37 2.699???????????????????????A??B???? ?????/% ????/V ?????/% ????/V

表5列出了不同導電劑體系軟包電池常溫倍率充電性能。可以看出，未添加VGCF的電池充電恒流比低于添加VGCF的電池，大倍率充電時兩者差別更為明顯。在大倍率充放電情況下，充放電電流急劇增大，電池極化現象明顯，添加VGCF可使極片形成良好的導電網絡，增強了LiFePO4顆粒之間及活性材料與集流體之間的導電性，從而大大降低了因電子在電極中的局部積累而發生的極化，為電子的傳輸提供了極其方便的通道，從而改善了電池的大倍率充放電性能。

2.2.3 循環性能

圖3所示為兩種不同體系導電劑軟包電池的常溫1C/2C循環曲線。從圖中看出：常溫1C/2C循環700次后，添加VGCF后電池容量保持率為99.40%，而未添加VGCF的電池容量保持率為94.86%，可見添加VGCF后電池循環性能得到提升。這是因為VGCF形成的導電網絡使得導電劑與正極活性物質緊密接觸，從而在充放電過程中活性物質體積發生膨脹收縮變化所導致的導電劑與活性物質接觸不充分的概率降低，避免了因導電劑與活性物質接觸不充分導致的電阻增加，從而為電子在電極中的運輸提供了極其方便的通道，改善了電池的循環性能。

???????????????????????????????A ??B???? ?????/% ?????/%1C/0.3C94.3 94.3 2C/0.3C88.2 87.7 3C/0.3C79.3 76.2 5C/0.3C40.9 28.1

圖2 不同導電劑體系的軟包電池常溫倍率放電曲線(A：SP+VGCF，B：SP)

圖3 不同導電劑體系的軟包電池1C/2C常溫循環曲線(A：SP+VGCF，B：SP)

3 結論

(1)SEM分析結果表明，VGCF均勻分散在LiFePO4材料周圍，形成了點線均勻結合的導電網絡，且添加相對少量就能達到良好的導電效果，而顆粒狀導電碳黑難以形成完整的導電網絡，造成電池內阻較高、極化較大。添加VGCF后，正極片面電阻明顯降低，與未添加VGCF相比，同種狀態下的極片面電阻降低幅度約35%。

(2)添加VGCF的正極片扣式電池首次放電比容量為159.7 mAh/g，相比未添加VGCF的極片(154.1 mAh/g)提高了3.6%，0.1C首次效率分別為94.8%和93.6%，0.1C電壓平臺稍有提升。

(3)添加VGCF后，避免了在充放電過程中由于材料的膨脹收縮而導致的導電劑與活性材料接觸性變差，離子、電子傳輸局部間斷造成電池內阻增加，提高了正極片的電導率，減小電池極化，降低電池內阻，電池倍率充放電性能得到改善，尤其大倍率充放電性能改善更為明顯。

(4)5 Ah軟包電池常溫1C/2C循環700次后，添加VGCF的電池容量保持率為99.40%，而未添加VGCF的電池為94.86%，添加VGCF后電池循環性能得到提升。

(5)綜上，VGCF的應用避免了電池充放電過程中由于材料的膨脹收縮而導致的導電劑與活性材料接觸性變差問題；減輕電極極化，降低電池內阻，進而改善了電池的綜合性能。

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Effect of different conductive additives on performance of LiFePO4lithium-ion battery

GAO Jiao-yang,PING Li-na
(China Aviation Lithium Battery(Luoyang)Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471003,China)

The performance of LiFePO4lithium-ion battery with different conductive additives such as Super P and VGCF were investigated.The surface morphology of cathode was tested by SEM.The electrochemical performance of the batteries was tested by charge-discharge methods.SEM indicates that VGCF could disperse well and form favorable three-dimensional conductive network in cathode plate.The test indicates that the area resistance of plate with addition of VGCF reduces.Electrochemical tests show that the battery with addition of VGCF has better performance than battery using common conductive agent.Rate charge/discharge performance is improved obviously.The capacity retention respectively are 99.4%and 94.86%after 700 cycles of 1C/2Cat room temperature.

Li-ion battery;conductive additive;rate performance;cycle performance

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1547-03

2016-01-021

高嬌陽(1985—)，女，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向為鋰離子電池材料體系。