高容量型鋰離子電池的制備及其電化學(xué)性能研究

黃鋒濤，李斌（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710300）

高容量型鋰離子電池的制備及其電化學(xué)性能研究

黃鋒濤，李斌
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710300）

摘要：錳酸鋰（LiMn2O4）圓柱形電池具有良好的循環(huán)性能、熱穩(wěn)定性、較高的容量以及相對(duì)低廉的價(jià)格，近年來成為電池研究的熱點(diǎn)。采用刮刀涂布法制成電池，電池測試儀對(duì)電池的容量、壽命、電化學(xué)性能進(jìn)行表征，電池的容量達(dá)到1520mAh，穩(wěn)定倍率可以達(dá)到1C，壽命達(dá)到400次以上，針刺測試表明其安全性能良好。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；圓柱形；容量；長壽命

索尼公司[1]首次合成了鋰離子二次電池并且商業(yè)化。由于鋰離子電池[2]具有重量輕、電壓高、安全性好和長壽命等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到快速發(fā)展。目前用于商業(yè)化電池的正極材料主要是鈷酸鋰[3]，但含Co元素的電池由于環(huán)境污染嚴(yán)重，價(jià)格昂貴[4]，因此迫切需要新的價(jià)格低廉、無污染的電池作為替代品。

錳酸鋰[5]正極材料由于無污染、價(jià)格低廉，是一種較為理想的正極材料，圓柱形電池[6]在儲(chǔ)能設(shè)備、備用電源、電子設(shè)備和移動(dòng)電源等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文采用高效涂布法制備大容量圓柱形18650型鋰離子電池，并探究其電化學(xué)性能和安全性等特點(diǎn)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1電池的制備和組裝

正極以錳酸鋰、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑PVDF為原料按照94∶3∶3的比例混合攪拌而成，然后涂布在15μm鋁箔上；負(fù)極以石墨、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑CMC為原料按照92.5∶3.5∶4比例混合攪拌而成，涂布在10μm銅箔上。

采用刮刀式涂布，正極間歇涂布，負(fù)極連續(xù)涂布。正負(fù)極長度比為0.95，極片在100℃真空下連續(xù)烘烤10小時(shí)，壓實(shí)密度為2.80g/cm3。正極極片裁片寬度為56mm,負(fù)極極片為57.5 mm，將正極極片、負(fù)極極片和隔膜卷繞成電芯。電芯連續(xù)在120℃下烘烤48小時(shí)，注液量為5.6g/個(gè)。封口老化24小時(shí)以上。

1.2電池的測試

電池容量和循環(huán)壽命測試采用新威爾電池測試儀(BTS- 5V3A)，電池的倍率測試采用高功率電池測試儀（BTS- 20V6A），電池安全性能采用拜特電池測試儀（BSS2000）。

2　結(jié)果與討論

2.1電池容量與充放電曲線

圖1　電池的充放電曲線Fig.1 The charge/discharge profiles of battery

圖1是錳酸鋰圓柱形鋰離子電池的充放電曲線圖。按照國標(biāo)測得電池的容量為1520mAh。電池按照0.2C恒流恒壓充電，起始電壓為2.8V，截至電壓為4.2V。從充電曲線看，電壓平臺(tái)為3.8V，電壓較高，直到4.2V截止，整個(gè)平臺(tái)占總充電容量的95%以上，說明充電效率很高。放電時(shí)平臺(tái)在4.1V，直到3.8V截至，整個(gè)平臺(tái)容量占總放電容量的96%以上，放電平臺(tái)較平滑，放電效率很高，電池的功率較大，電池具有良好的充放電性能。

2.2不同倍率放電曲線

圖2是a、b分別在0.2C和1C倍率下充放電曲線圖。充電時(shí)，充電電壓平臺(tái)增加，從最初的3.8V和3.88V到最后的4.2V，電池的極化增加；放電時(shí)，從放電電壓最初平臺(tái)分別為4.1V和4.0V，最后降至3.8V和3.6V，兩種倍率下的放電平臺(tái)占總?cè)萘烤鶠?5%以上，1C放電容量占0.2C放電容量的97%以上，說明電池的放電效率極高，電池具有良好的抗極化能力。

圖2　電池不同倍率的充放電曲線圖Fig.2 The different ratio charge/discharge profiles of battery

2.3電池循環(huán)性能曲線

圖3　電池循環(huán)壽命圖Fig.3 The cyclic performance of battery

圖3為電池的循環(huán)壽命圖。為了節(jié)省時(shí)間，采用1C倍率恒流恒壓方法測試電池的循環(huán)壽命。電池容量從最初的1450mAh，經(jīng)過430次后，容量為1280mAh，保持初始容量的80%以上。電池在循環(huán)過程中由于機(jī)器等不可抗拒的影響，出現(xiàn)了稍微的波動(dòng)，但總體趨勢保持平穩(wěn)下滑。由于1C倍率較0.2C倍率具有較大的極化作用，據(jù)此推測0.2C下的循環(huán)性能應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于430次，所以電池具有很好的循環(huán)性能。

2.4電池安全性能

圖4　電池的針刺效果圖Fig.4 The needle of battery

圖4為電池在4mm鋼針下的針刺效果圖，電池以0.2C恒流恒壓充滿電后，放置24h以上。然后放在電池安全測試儀下，利用4mm的鋼針從側(cè)面直接刺透，且保持60s以上，電池發(fā)出巨大的聲音，同時(shí)產(chǎn)生大量的濃煙，電池蓋帽的安全閥打開，但是蓋帽沒有彈出。由于針刺是最極端的安全性能測試方法，說明電池安全性能可靠。

3　結(jié)論

采用間歇涂布法成功制備出的高容量長壽命的圓柱形18650型鋰離子電池，容量為1530mAh。不同倍率下的電池容量幾乎無損失，電池循環(huán)430次后仍然保持容量的80%以上。安全測試表明，電池具有良好的安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1]顧秋月,辜曉蕓,高文遠(yuǎn).磷酸鐵鋰正極材料的研究進(jìn)展[J].安徽化工，2011, 37（4）:13- 16.

[2]陳立泉.鋰離子電池正極材料的研究進(jìn)展[J].電池，2002，32 （6）: 6- 8.

[3] Ritchie A G. Recent developments and likely advanss in lithium rechargeable batteries[J]. Journal of Power Sources, 2004, 136（2）: 285- 289.

[4]王強(qiáng)，曾暉，姚宏旭.微/納多級(jí)結(jié)構(gòu)LiMn2O4微米球在水系鋰離子電池中的應(yīng)用[J].安徽化工，2013，39（3）: 16- 21.

[5] Li W, Dahn J R, Wainwright D S. Rechargeable lithium batteries with aqueous electrolytes [J]. Science, 1994, 264: 1115- 1118.

[6]王金良.動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展及技術(shù)路線探討[J].電池工業(yè)，2010，15（4）:234- 238.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.01.013

中圖分類號(hào)：TM912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008- 553X（2015）01- 0051- 02

收稿日期：2014- 08- 13

作者簡介：黃鋒濤（1986-），男，碩士研究生，助教，研究方向：新能源材料，13571848634，hft43@163.com。

Preparation and Electrochemical Performance of High Energy Li-ion Battery

HUANG Feng-tao，LI Bin
（Department of Chemical Engineering，Shanxi National Defense Industry Vocational Technology Institute，Xi’an 710302，China）

Abstract:Lithium manganate battery（LiMn2O4）, as a newtype of column Li- ion battery, is with good cycling performance, thermal stability, high discharge capacityand lowprice. Therefore, manyresearchers focus on the research ofthis type Lithium battery in recent years. The batteries were made by blade- coating method. The capacity, life, electrochemical performance of battery were characterized by battery tester. The capacity of battery is 1520 mAh and the power shows that battery can reach 1C or above. After 400 cycles, this column battery can deliver a reversible discharge capacity of 1087 mAh. Cutting through batterywith needle showes good saftyperformance.

Key words:Li- ion battery；cylinder；capacity；longlife