一種超長壽命高安全性快充電鋰離子電池研制

＊

（漳州萬寶能源科技股份有限公司 福建 363000）

1.前言

鋰離子電池關鍵技術及其產業(yè)化，是國家輕工行業(yè)鼓勵發(fā)展的“高技術綠色電池產品制造”產業(yè)；科技部關于《國家重點新產品計劃優(yōu)先發(fā)展技術領域》中，也把鋰離子電池以及相關產品及技術列為優(yōu)先發(fā)展技術領域。鋰離子電池通常由正、負極板、隔膜和電解液組成。根據(jù)應用場景不同，鋰離子電池可分為動力、消費和儲能等3種類型。由于鋰離子電池是一種新型的具有大功率密度的電池，被認為是21世紀最理想的綠色環(huán)保電源[1-4]。高能量密度、長壽命、高安全性和快充電的鋰離子電池是我國當前重點研究和發(fā)展的方向，也是戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成部分?？梢姡_展鋰離子電池關鍵技術及其產業(yè)化研究，對我國鋰離子電池相關產業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文介紹了一種超長壽命高安全性快充電鋰離子電池研制中涉及部分核心關鍵技術，以期為相關行業(yè)提供參考。

2.電池電解液及其功能添加劑的開發(fā)

電解液是鋰離子電池重要的組成部分，對鋰離子電池性能和應用有很大影響。開發(fā)電解液是超長壽命、高安全性和快充電磷酸鐵鋰電池實用化的關鍵之一。多元有機溶劑體系是目前廣泛使用的電解液有機溶劑。本文研制的有機溶劑是在傳統(tǒng)的EC、DEC和EMC組合的基礎，提高了EMC的含量，并加入PA，以改善電池的倍率充放電及低溫充電性能。這是由于EC具有介電常數(shù)高、電解液的電導率高、與電極相容性好等特點，但其價格較高，且粘度高和熔點高，不利于鋰離子的遷移和電池的低溫使用；而DEC和EMC粘度低，有益于鋰離子的遷移，且價格相對低，但其介電常數(shù)低，影響電解液的導電率；EMC的熔點低，低溫性能好，安全性高；DEC熔點隨比EMC高，但比DMC的熔點低，屬于居中水平。這些有機溶劑的組合有助于提高電解液的導電率，安全性和拓寬電解液的使用溫度范圍等特點。

功能添加劑的研發(fā)是磷酸鐵鋰電池電解液的核心。本文主要對SEI膜優(yōu)化劑、提高電解液電導率的添加劑、提高電池高溫性能和低溫性能添加劑等開展研究。研究了所選擇的添加劑，包括復合添加劑對電池循環(huán)性能、高溫存儲、過充、熱沖擊、低溫放電性能、高溫放電性能和高倍率充放電性能的影響，特別是對磷酸鐵鋰電池低溫性能、高溫性能、循環(huán)壽命、安全性能和高倍率充放電性能等的影響。在添加劑中，PS含量一般優(yōu)選為0.8%，并用含硫添加劑和醚類添加劑來加強高溫存儲和高溫循環(huán)性能，同時還添加鋰鹽添加劑來改善低溫充電性能。開發(fā)的電解液及其添加劑的配方為：

其他添加劑（含硫和醚類添加劑以及鋰鹽添加劑等組成），0-10%含硫添加劑和醚類添加劑來加強高溫存儲及高溫性能，同時還添加鋰鹽添加劑來改善低溫充電性能。

3.設計了一種鋰離子電池安全防爆結構

不論是采用疊層式或卷繞式結構的電極隔離組件，其電池在使用過程中，均可能發(fā)生內部短路、膨脹、爆炸等現(xiàn)象，對人身、財產安全產生危害。本文設計了一種鋰離子電池安全防爆結構，解決了疊層式和卷繞式電極隔離組件易發(fā)生內部短路、膨脹、爆炸等問題，可大大避免電池內壓過大而產生爆炸的現(xiàn)象。鋰離子電池的安全防爆結構，其具體結構如圖1-圖3。圖1為電極隔離組件、正極極耳與金屬片的立體結構示意圖；圖2為電極隔離組件與負極極耳的立體結構示意圖；圖3為防爆結構的剖面示意圖。

圖1 電極隔離組件、正極極耳與金屬片的立體結構示意圖

圖2 電極隔離組件與負極極耳的立體結構示意圖

圖3 防爆結構的剖面示意圖

圖中數(shù)字1至9，分別為上殼蓋1、下殼體2、電極隔離組件3、正極極耳4、負極極耳5、正電極片6、負電極片7連接、金屬片8、內凹9。

4.12380C1-120mAh型號超長壽命高安全性快充電磷酸鐵鋰電池主要性能測試

(1)循環(huán)性能測試

測試采用新威測試柜5V6A和烤箱等設備；測試條件：試驗應在25℃±2℃的環(huán)境下進行，試驗過程中，充電：CCCV 1.5A，3.65V，0.2A截止；放電：CC1.8A，12S；CC0.635A，2.5V（80mAh截止）。每250次循環(huán)測試一次全容量。

實測結果是：循環(huán)20000次≥100mAh，20000次循環(huán)后電芯的剩余容量/初始放電容量為83%，具有優(yōu)異的循環(huán)性能，結果如圖4所示。

圖4

(2)溫度循環(huán)測試

采用恒溫恒濕箱測試設備；測試條件：在23℃±2℃的環(huán)境溫度下，電芯先以0.635A電流放電至2.5V，然后再以1.5A電流恒流充電，當電芯達到3.65V時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于200mA后，將其放入恒溫箱中進行如下步驟：①72±2℃下保持6小時；②在30分鐘內將溫度下降到-40±2℃并保持6小時；③在30分鐘內將溫度上升到72±2℃并保持6小時；④重復上述第2、3步驟共10次；⑤將電芯取出放置于20±5℃下觀察24小時。

實測結果是：電芯電壓≥90%初始電壓；電芯應不漏液、不泄氣、不破裂、不起火。結果如表1所示。

表1 溫度循環(huán)測試結果

5.結論

（1）研發(fā)了一種超長壽命高安全性快充電鋰離子電池電解液及其添加劑的配方。

（2）設計了一種鋰離子電池安全防爆結構，解決了疊層式和卷繞式電極隔離組件易發(fā)生內部短路、膨脹、爆炸等問題，可大大避免電池內壓過大而產生爆炸的現(xiàn)象。

（3）開發(fā)出三種型號（12380C1-120mAh、12380C1-200mAh和12380C1-250mAh）的磷酸鐵鋰電池，并測試了電池的循環(huán)、容量保持和安全等性能，均具有超長壽命高安全性快充電等特點，已批量應用電子煙等消費電子產品等領域，出國歐美等市場。