提升磷酸鐵鋰電池高倍率性能的研究.pdf

1、自從上世紀(jì)九十年代第一塊商品化產(chǎn)品上市，鋰離子電池以其能量密度高，壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛關(guān)注。鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，使得筆記本電腦，手機(jī)，相機(jī)等便攜式手持設(shè)備技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，為人們的日常生活帶來(lái)便利。
　　正極材料是影響鋰離子電池關(guān)鍵性能的核心材料，經(jīng)過(guò)研究者們努力開(kāi)發(fā)，目前常用的穩(wěn)定材料主要有鈷酸鋰（LiCoO2），錳酸鋰（LiMn2O4），鎳鈷錳三元（Li（NiCoMn）O2），NCA和磷酸鐵鋰（L

2、iFePO4）等。磷酸鐵鋰是一種具有橄欖石結(jié)構(gòu)的電池材料，它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，循環(huán)過(guò)程中形變小，壽命長(zhǎng)，逐漸成為儲(chǔ)能電站和新能源電動(dòng)汽車(chē)替代能源的首選。但是磷酸鐵鋰本征電導(dǎo)率低，離子擴(kuò)散系數(shù)小，使得其低溫性能，高倍率性能較差。尤其是大功率性能，在EV、HEV、智能電站“削峰填谷”等應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要，直接影響其大規(guī)模推廣應(yīng)用。本文擬使用成熟的電池制造工藝制備18650磷酸鐵鋰電池，通過(guò)正極、負(fù)極、集流體等關(guān)鍵材料的研究改良，提高電池的高倍率性

3、能。
　　首先，考察磷酸鐵鋰材料對(duì)電池高倍率性能的影響，分別考察了合成工藝，材料粒徑，含碳量等因素。通過(guò)SEM研究，不同工藝制備的磷酸鐵鋰具有完全不同的微觀形貌。使用相同的工藝制備18650電池，對(duì)電池的內(nèi)阻，大電流放電平臺(tái)，放電溫升等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比采集，發(fā)現(xiàn)合成工藝對(duì)倍率性能的影響并不存在可循的規(guī)律，對(duì)最終的倍率性能并不存在決定性的影響。
　　選用了D50為0.667um，1.151um，1.998um，2.481um的材料

4、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)0.667粒徑的材料制備電池內(nèi)阻為9.7mΩ，且具有更高的放電平臺(tái)，具備更好的高倍率性能，因?yàn)檩^小的粒徑可以減小了鋰離子擴(kuò)散半徑，提升離子傳輸速率，直接提高倍率性能。值得注意的是，更小的粒徑，直接帶來(lái)加工工藝更加困難的弊端，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮性能和易操作性。
　　含碳量是磷酸鐵鋰一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，目前主流的是在合成階段加入碳源進(jìn)行碳包覆。通過(guò)TEM測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)材料最外層均勻包覆一層碳層。實(shí)驗(yàn)室合成了四種不同含碳

5、量的材料進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)最高含碳量2.0％的材料制備的電池具有9.2mΩ的內(nèi)阻，2.91V的大倍率放電平臺(tái)電壓，25度的放電溫升，所有數(shù)據(jù)均為測(cè)試電池中最佳數(shù)據(jù)，說(shuō)明碳含量越高，倍率性能越好。
　　其次，研究了電池其他關(guān)鍵材料對(duì)電池的性能影響。通過(guò)自制工裝夾具測(cè)試極片電阻，統(tǒng)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的電池性能，發(fā)現(xiàn)極片電阻更低，最終制備的電池內(nèi)阻越低，高倍率性能越好。在不同厚度的鋁箔測(cè)試中，最厚的20um鋁箔制備的電池具有最高的2.61V的2

6、0A放電電壓平臺(tái)和最低的43度溫升，倍率性能最好。
　　通過(guò)循環(huán)伏安法測(cè)試確認(rèn)，在2.0V-4.2V鋰電池工作電壓區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)電涂層不存在副反應(yīng)，不會(huì)對(duì)整個(gè)電池的電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)表明：導(dǎo)電涂層的使用，能夠降低電池內(nèi)阻1-2mΩ，提高高倍率性能；改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性，平臺(tái)電壓循環(huán)3000次維持在3.15V左右，容量保持率90%；低溫放電容量保持率達(dá)到76%；顯著提高電池的綜合性能。
　　通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確認(rèn)最佳導(dǎo)電劑添加比例

7、，實(shí)驗(yàn)表明：添加片狀石墨1%，導(dǎo)電炭黑2%，ECP，VGCF，CNTs等大表面積，高導(dǎo)電性材料1-2%，電池具有最佳的綜合性能，SEM照片顯示，此時(shí)的電極分散良好，活性材料間隙均勻分布導(dǎo)電材料，構(gòu)筑了較為完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
　　最后，研究了負(fù)極工藝對(duì)電池性能的影響。使用有機(jī)系負(fù)極新工藝，極片在95±5℃環(huán)境中烘烤16h，水分含量基本達(dá)到穩(wěn)定，保持在180ppm左右。電池低溫放電容量保持率為73.92%，20A放電容量保持率為92.6