化成中使用滾壓工藝對軟包電池性能的影響

郭玉彬，張　娜，高　飛，李　楊

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

化成中使用滾壓工藝對軟包電池性能的影響

郭玉彬，張娜，高飛，李楊

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

通過對鋰離子軟包裝電池化成中是否使用滾壓工藝的4種樣品進行對比研究，并對實驗電池進行性能測試以及滿電解剖，結(jié)果表明，使用20～30 N壓力值進行滾壓的樣本電池性能以及極片狀態(tài)優(yōu)于其他三種樣本。這是因為滾壓后的電池正負極與隔膜之間接觸的更加緊密，排出了氣體，減少了死區(qū)。

鋰離子軟包裝動力電池；化成；滾壓；倍率；解剖

隨著鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展和電動汽車技術(shù)的日益成熟，鋰離子動力電池的應用越來越廣泛，對其性能要求也隨之提高。軟包裝電池由于其能量密度高、外型可塑性高、厚度更薄的優(yōu)點被廣泛應用于電動汽車中[1]。

由于軟包裝電池采用鋁塑封裝結(jié)構(gòu)，其外型結(jié)構(gòu)決定了極片不能緊密排列，極片之間容易產(chǎn)生空隙，在電池化成過程中產(chǎn)生的氣體也容易在極片之間殘留，在之后的Degas封口中氣體不能完全排出[2]，從而影響電池性能，所以考慮采取在化成兩次充電之間采用滾壓工藝將極片之間的氣體排除。

1　實驗

1.1電池的準備

本實驗樣本為公司已量產(chǎn)的鐵鋰材料電池，電池的隔膜為25 μm聚丙烯多孔單層隔膜，電解液為1 mol/L LiPF6/ (EC+EMC+DMC)(體積比1∶1∶1)。實驗分為兩個大對照組，分別為A組(未滾壓)和B組(滾壓)。為了考慮滾壓力度對電池的影響，將B組又分為3個樣本，分別為B1(壓力值為4～6 N)、B2(壓力值為20～30 N)、B3(壓力值為50～60 N)，選取20只經(jīng)過同一流程生產(chǎn)后的未化成的軟包裝電池分別放入上述4種樣本中進行實驗，每種實驗樣本中各5只電池。

1.2電池化成與滾壓

使用化成設備對電池進行充電，充電過程分為2步，充電電流均為2 A，第一次充電設定為1 h，第一次充電完成之后將B組樣本進行不同力度的滾壓，A組樣品不進行滾壓。滾壓完成之后將A組、B組樣品同時進行第二次充電，充到電池截止電壓4.2 V為止，恒流恒壓充電。化成完成后的電池進行Degas封口，完成樣品電池制作。

2　實驗數(shù)據(jù)與分析

2.1化成數(shù)據(jù)及解剖照片分析

從表1中可以看出，A組、B1組的電池的化成容量比B2組、B3組的電池的化成容量低1 Ah，初步推測是由于A組、B1組的電池極片之間在化成過程中產(chǎn)生氣體增大了正負極片之間的距離，從而造成鋰離子傳輸?shù)木嚯x加大，阻抗增加，最終造成充電容量降低。為了更加明確電池的內(nèi)部狀態(tài)，將4組樣本電池在化成后進行滿電解剖，負極片狀態(tài)如圖1～圖2所示。

通過解剖電池后發(fā)現(xiàn)，A組、B1組電池負極片存在大量死區(qū)，而B2組、B3組電池負極表面完整，沒有發(fā)現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象。軟包裝電池在化成過程中會產(chǎn)生氣體，其在化成過程中會加大正極、隔膜、負極間的距離，阻礙鋰離子從正極片到負極片的傳輸，另外，氣體的存在還會阻礙電解液與正極、負極的接觸，使得負極局部浸潤性能變差，最終導致在負極片上存在大量未反應的死區(qū)[3](如A組、B1組負極片所示)，從而降低了電池的容量。而通過適度滾壓則可以將氣體排出，使正極、負極與隔膜之間的接觸更加緊密，電解液的浸潤也更加完善，所以負極上不存在死區(qū)，正如B2組、B3組負極片所示。

表1　A、B樣本電池化成充電容量對比 　Ah

圖1　A組、B1組負極片照片

圖2　B2組、B3組負極片照片

2.2化成電壓衰減分析

通過一個月前后兩次電壓對比發(fā)現(xiàn)，A組、B1組、B2組電池的兩次壓差很低，表明容量衰減很低[4]，而B3組的壓差很大，表明容量衰減很大，見表2～4。可能由于B3組電池滾壓的壓力過大，造成隔膜局部刺穿，進而造成電池內(nèi)部微短路[5]，造成容量衰減。

表2　A、B樣本電池化成后電壓 V

表3　A、B樣本電池老化后電壓 　V

表4　A、B樣本電池老化前后電壓差 　V

2.3測試性能對比

由于B3組電池樣品存在內(nèi)部短路，所以沒有進行電池電性能測試，而B1組沒有有效提高電池容量，也沒有安排進行電性能測試，只安排A組、B2組進行電池容量測試。

從上述圖3～5和表5～6中的數(shù)據(jù)可以看出，B2組的倍率性能、循環(huán)性能要優(yōu)于A組。電池在循環(huán)和大倍率充放電過程中，會有一定量的氣體產(chǎn)生，而軟包裝電池由于其外殼為鋁塑封裝膜，而鋁塑封裝膜的伸縮性導致極組內(nèi)極片間距不能有效固定，當氣體進入到極片之間時，極片間距會變大，進而影響鋰離子的傳輸，極化現(xiàn)象明顯，最終影響電池性能，而A組之前未經(jīng)過滾壓將氣體排出，所以在性能測試時，其內(nèi)部氣體要多于B2組，其性能會低于B2組。

圖3　放電倍率性能的對比

圖4　充電倍率性能的對比

圖5　循環(huán)性能的對比(1C)

表5　放電倍率詳細數(shù)據(jù)

表6　充電倍率詳細數(shù)據(jù)

3　結(jié)論

通過在軟包裝鋰離子動力電池化成兩次充電之間進行適當壓力的滾壓可以顯著地改善電池的內(nèi)部狀態(tài)，排出氣體，減少死區(qū)，進而提高電池充放電容量及電池的其他電性能。

[1]周偉，張文志.軟包裝鋰離子電池氣析量的研究[J].電源技術(shù)，2014，38(1):40-43.

[2]常照榮，呂豪杰，付小寧.軟包裝鋰離子電池的高倍率放電性能[J].電池,2008,38:231-233.

[3]MOSS P L,AU G.Study of capacity fade of lithium-ion polymer rechargeable batteries with continuous cycling[J].Journal of the Electrochemical Society,2010,157:A1-A7.

[4]EL OUATANI L,DEDRYVERE R,SIRET C,et al.The effect of vinylene carbonate additive on surface film formation on both electrodes in Li-ion batteries[J].J Electrochem Soc,2009,150(2): A103-A113.

[5]SIKHA G,POPOV B N,WHITER E.Effect of porosity on the capacity fade of a lithium-ion battery theory[J].Journal of the Electrochemical Society,2004,151(7):A1104-A1114.

Influence of rolling process during formation on battery performance of flexible packaging batteries

GUO Yu-bin,ZHANG Na,GAO Fei,LI Yang
(Tianjin Lishen Battery Joint-stock CO.,LTO,Tianjin 300384,China)

Four samples of flexible packaging lithium-ion batteries with and without rolling technique used in formation were compared,and their performance was tested and dissected with full power.The results show that the performance and electrode status of the sample battery rolled using 20-30 N pressure is superior to the other three samples.This is because the rolled cathode and anode of the battery can contact more closely with the separator, exhausting the gas,reducing the dead zone.

flexible lithium ion power batteries;formation;rolling depression;rate test;dissect

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1924-02

2016-03-03

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃(SS2012AA110301)

郭玉彬(1986—)，男，天津市人，研發(fā)工程師，主要研究方向為能量型鋰離子動力電池。

張娜