鋰離子動(dòng)力電池制造關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)及其安全性研究.pdf

1、本文在對(duì)鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上,研究了正、負(fù)極材料微觀結(jié)構(gòu)、形貌與電化學(xué)性能之間的關(guān)系,選定了動(dòng)力電池的正、負(fù)極材料及其它關(guān)鍵材料;在動(dòng)力電池功能電解液開(kāi)發(fā),電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制作工藝改進(jìn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了容量型和功率型鋰離子動(dòng)力電池;分析了動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中的熱行為,建立了功率型動(dòng)力電池的表面溫度分布模型與散熱模型;全面測(cè)試了動(dòng)力電池(組)的電化學(xué)性能、安全性能,并對(duì)鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)進(jìn)行了試制研究。<

2、br>　　 1.功率型動(dòng)力鋰離子電池的研制。
　　 以固相法制備了磷酸鐵鋰(LiFePO4)摻Mg材料,通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)表征,發(fā)現(xiàn)在正極材料LiFePO4晶格中摻雜Mg,并且發(fā)生Fe位取代后,會(huì)引起LiFePO4晶胞體積收縮,晶格參數(shù)a、b減少,并增強(qiáng)材料的電子導(dǎo)電性,所制備的樣品號(hào)為L(zhǎng)P3的LiFePO4材料,化學(xué)計(jì)量比為L(zhǎng)iFe0.95Mg0.05PO4,材料顆粒的粒徑分布均勻,主要分布在7μm左右,表面形貌光滑,材料顆粒趨于

3、球形,具有良好的電化學(xué)性能及倍率性能;負(fù)極材料方面,發(fā)現(xiàn)比表面積小、顆粒分布適中、循環(huán)性以及大電流充放電性能好的中間相碳微球石墨材料適合用于功率型鋰離子電池的負(fù)極材料。
　　 研制功率型動(dòng)力電池循環(huán)1900周(100％DOD)后容量保持率為初始容量的87％,30C放電的容量保持率為1C放電容量的91％,-20℃放電容量保持率為常溫下放電容量的62％。
　　 2.容量型動(dòng)力電池的研制。
　　 對(duì)材料的分析表征發(fā)現(xiàn),

4、晶格參數(shù)a＜8.21 A、晶體生長(zhǎng)完整、顆粒表面平整光滑、比表面積小于1.0m2·g-1、粒度分布比較集中的錳酸鋰(LiMn2O4)材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易引發(fā)與電解液的反應(yīng)及John-Teller效應(yīng),具備良好的電化學(xué)循環(huán)性能及安全性能,是容量型動(dòng)力電池合適的正極材料。
　　 發(fā)現(xiàn)在電解液中加入3％的1,3-丙烯磺酸內(nèi)酯(1,3-PS)和5％的碳酸丙烯酯(PC),能使電池的高溫(85℃,4小時(shí))膨脹率由35.11％下降至12.40％

5、;添加0.1M的雙草酸硼酸鋰(LiBOB)作為電解質(zhì)鹽,錳酸鋰動(dòng)力電池循環(huán)壽命在60℃下的循環(huán)壽命提高約3倍。
　　 發(fā)現(xiàn)在電解液中添加2％的環(huán)己基苯(CHB)時(shí),電池過(guò)充性能明顯改善,電池順利通過(guò)3C/10V過(guò)充,基本不影響電池的其它性能。通過(guò)SEM、FTIR等手段研究發(fā)現(xiàn)CHB的防過(guò)充機(jī)理為阻斷機(jī)理。
　　 研制的容量型電池在0.5C電流進(jìn)行充放電循環(huán)500周后容量保持率為83％;20C倍率下放電,容量保持率為1C倍

6、率放電容量的86％;高溫(55℃)放電容量是常溫(25℃)放電容量的99％,高溫性能良好,低溫(-25℃)放電容量是常溫放電容量的75％。
　　 3.對(duì)電池在充放電過(guò)程中熱量產(chǎn)生的因素進(jìn)行了全面分析,并以研究制作的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池F11100220(標(biāo)稱容量:10Ah,標(biāo)稱電壓:3.2V)在3C條件下放電表面溫度分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立了方型電池表面溫度分布模型,模型如下:
　　 t=a+bx+cx2+dx3+ex4+fx5

7、+gy+hy2+iy3+jy4+ky5(其中:x為電池的寬度,y為長(zhǎng)度;x,y的系數(shù)為常數(shù))根據(jù)電池表面溫度分布情況,建立了電池表面散熱模型,模型如下:
　　 Qt=4Qf+2Qs+2Qa+2Qb(其中:Qt為1/4電池正表面散熱量,Qs為電池側(cè)面散熱量,Qa為電池極耳前端散熱量,Qb為電池后端側(cè)面散熱量)
　　 以QC/T743-2006“電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池”為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)本研究所制備的動(dòng)力電池分別進(jìn)行了過(guò)充、過(guò)放、短

8、路、針刺、擠壓、加熱等安全性測(cè)試,測(cè)試過(guò)程中無(wú)起火、爆炸等現(xiàn)象出現(xiàn),完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　 4.試制生產(chǎn)了容量型M95100170(13Ah)與功率型F11100120(10Ah)兩個(gè)型號(hào)的鋰離子動(dòng)力電池,并對(duì)安全性以及一致性工藝進(jìn)行了重點(diǎn)研究。對(duì)試制產(chǎn)品的成品率進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)M95100170的成品率為97.2％,F11100120的成品率為95.2％。且產(chǎn)品一致性良好;試制生產(chǎn)的動(dòng)力電池具備了較高的比能量和比功率,其中容量