基于二元高鈷材料的鋰離子聚合物電池開發(fā)

佟 健,李碧平

(1.TCL金能電池有限公司,廣東惠州 516005;2.湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

基于二元高鈷材料的鋰離子聚合物電池開發(fā)

佟 健1,李碧平2

(1.TCL金能電池有限公司,廣東惠州 516005;2.湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

對(duì)一種新型的二元高鈷材料進(jìn)行了物理、化學(xué)、形貌及晶體結(jié)構(gòu)指標(biāo)測(cè)試,并應(yīng)用該材料作為正極進(jìn)行了鋰離子聚合物電池的開發(fā),對(duì)使用該材料體系的鋰離子聚合物電池進(jìn)行了比容量、倍率性能、不同溫度放電性能、高溫貯存性能、循環(huán)性能以及安全性能等綜合測(cè)試,測(cè)試的結(jié)果表明,這種二元高鈷材料完全滿足鋰離子聚合物電池的要求。

二元高鈷材料;鋰離子聚合物電池;比容量;循環(huán)性能

在商品化的鋰離子電池中,正極材料顯著影響離子電池的循環(huán)、高溫、容量等性能,目前比較普遍使用的正極材料包括鈷酸鋰、三元、尖晶石錳酸鋰及二元NCA材料,對(duì)這些材料的研究改進(jìn)及應(yīng)用的研究仍然是材料及鋰電池行業(yè)的發(fā)展方向[1～4],同時(shí)由于鈷酸鋰價(jià)格較高,三元及尖晶石錳酸鋰的能量密度較低,所以高容量的二元材料一直是材料開發(fā)的熱點(diǎn),目前主要都集中在二元高鎳材料NCA的開發(fā)上,在日本已經(jīng)在較多的應(yīng)用領(lǐng)域使用到了該材料,但是二元高鈷材料的開發(fā)及應(yīng)用相對(duì)比較少,由于二元高鈷材料的價(jià)格較鈷酸鋰低且能量密度與鈷酸鋰相當(dāng),國(guó)內(nèi)已有一些材料廠家持續(xù)在進(jìn)行此類材料的開發(fā)并已經(jīng)形成量產(chǎn),目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始在一些數(shù)碼產(chǎn)品領(lǐng)域的鋰離子電池上應(yīng)用到此類二元高鈷材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 電池的參數(shù)設(shè)計(jì)

鋰離子聚合物電池的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 電池的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 電池制作及性能檢測(cè)

按044261型號(hào)的生產(chǎn)工藝,將二元高鈷材料作為正極活性物質(zhì)應(yīng)用到鋰離子聚合物電池中,對(duì)二元高鈷材料進(jìn)行了物理及化學(xué)性能、掃描電鏡及X射線衍射的測(cè)試;電池的初始性能、倍率放電、循環(huán)性能等測(cè)試在藍(lán)電電池測(cè)試儀上進(jìn)行;不同溫度放電、高溫貯存性能在恒溫恒濕箱及藍(lán)電電池測(cè)試儀上進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 材料的物理及化學(xué)指標(biāo)測(cè)試

二元高鈷材料的粒度,振實(shí)密度及比表面積測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 材料的物理性能

從表2中材料的物理性能測(cè)試看,該材料具有較高的振實(shí)密度及較小的比表面積,具備很好的加工性能,滿足鋰離子聚合物電池正極材料的極片加工要求。

二元高鈷材料的主元素含量測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 材料的主元素含量

從表3中元素的含量來看,其中的Mn含量為常量,故此材料應(yīng)存在含錳的二元或三元材料。

2.2 材料的掃描電鏡測(cè)試

二元高鈷材料的SEM測(cè)試如圖1所示。

從圖1的SEM圖來看,材料中存在一次的單晶顆粒及二次團(tuán)聚的顆粒,應(yīng)當(dāng)為一種混合的正極。

圖1 材料的SEM圖

2.3 材料的X射線衍射測(cè)試

二元高鈷材料的XRD圖譜如圖2所示。

圖2 材料的XRD圖

從圖2中的XRD圖譜來看,此材料存在兩種物質(zhì)的特征衍射峰:一種是鈷酸鋰;一種是鎳錳二元材料。

通過以上材料的測(cè)試及分析來看,這種二元高鈷材料為一種鈷酸鋰與鎳錳二元材料的的混合材料。

2.4 電池初始下線性能

采用這種材料作為正極活性材料制備的鋰離子聚合物電池化成分容后的性能數(shù)據(jù)見表4。

表4 電池的初始性能

從表4中的初始性能數(shù)據(jù)來看,電池下線容量滿足設(shè)計(jì)要求,厚度及內(nèi)阻正常,電池具有較高的能量密度;此材料的克容量較鈷酸鋰要高4 mAh/g左右。

2.5 電池的循環(huán)性能

電池的循環(huán)性能數(shù)據(jù)見表5,1C充放循環(huán)容量保持率如圖3所示。

表5 電池的循環(huán)性能

圖3 電池的循環(huán)容量保持率曲線

從表5和圖3中的300周容降數(shù)據(jù)來看,電池的容降在10.0%左右,電池的循環(huán)性能及一致性都較好,說明此材料具有很好的循環(huán)性能。

2.6 電池安全性能

參照UL1642的標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)標(biāo) GBT18287-2000對(duì)電池進(jìn)行了安全性能的測(cè)試,結(jié)果見表6。

表6 電池的安全性測(cè)試

從表6中的測(cè)試結(jié)果看,電池的整體安全性很好,滿足所有的安全指標(biāo)測(cè)試要求,僅電池的安全性而言,要好于鈷酸鋰材料,與三元材料比較接近。

2.7 倍率放電性能

電池不同倍率下的放電容量及曲線如圖4所示。

從圖4的曲線可以看出,電池的放電平臺(tái)較鈷酸鋰略低一些,但是能夠滿足產(chǎn)品的實(shí)際使用要求。

圖4 電池的倍率放電曲線

2.8 不同溫度放電性能

電池不同溫度下的放電容量及曲線如圖5所示。

圖5 電池的不同溫度放電曲線

從圖5的曲線看,該材料高溫60℃下的容量發(fā)揮要好于常溫,有著同三元材料相近的特性,低溫性能較正常鈷酸鋰的要低一些,但是能滿足實(shí)際使用要求。

由于-10℃測(cè)試時(shí)采用的是0.2C放電,其余溫度下均為為0.5C放電,故-10℃下的放電平臺(tái)反而高于0℃下的放電平臺(tái),這主要是由于放電電流不同所導(dǎo)致。

2.9 高溫貯存性能

電池高溫85℃4 h滿電貯存的測(cè)試數(shù)據(jù)見表7。

從表7數(shù)據(jù)可以看出,此材料具有很好的高溫性能,滿電狀態(tài)下85℃貯存4 h之后電池的厚度膨脹率遠(yuǎn)小于10.0%的要求,從容量恢復(fù)率來看,電池的容量恢復(fù)率也遠(yuǎn)高于85%的要求。

表7 電池的高溫測(cè)試

3 結(jié) 論

這種新型的二元高鈷材料不僅克容量高,同時(shí)還具有很好的循環(huán)性能,高溫貯存性能及安全性能,倍率放電及不同溫度放電也都能滿足實(shí)際使用的要求,因此,這種材料完全可以在鋰離子聚合物電池上應(yīng)用。不僅能夠降低電池的成本,而且能夠改善和提高電池的安全性。

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The Exploitation of Lithium-ion Polymer Battery Based on Dualistic Material of High Cobalt

TONGJian1,LI Bi-ping2
(1.TCL Hyperpower Batteries Inc,Huizhou516005,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

In the paper a dualistic materl of high cobalt was tested,including physics,chemistry,morphology and crystal structure test.And the exploitation of lithium-ion polymer battery used the material as the anode.The performance of lithium-ion polymer battery used the material were tested such as specific capacity,rate discharge character,discharge capability in different temperature,full-charge storage capability for high temperature,cycle life and safety character.The test results show that the dualistic materl of high cobalt fully meets the requirements of lithium-ion polymer battery.

dualistic materl of high cobalt;lithium-ion polymer battery;specific capacity;cycle performance

TM912.9

A

1003-5540(2012)03-0050-03

佟健(1976-),男,工程師,主要從事電池材料及鋰離子電池的開發(fā)研究工作。

2012-03-16