一種功率型鋰離子電池的研制

毛國龍，趙珊珊，張新衛，陳益奎

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

一種功率型鋰離子電池的研制

毛國龍，趙珊珊，張新衛，陳益奎

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

采用疊片式軟包裝電池的形式制備了兩種15 Ah的高功率電池。對電池的倍率性能、功率性能以及安全性進行測試，結果顯示電池比能量達到了170 Wh/kg，比功率達到了3 000 W/kg，具有良好的功率特性。

鋰離子電池；高功率；比能量

鋰離子電池作為一種高能綠色電源，正越來越深入到我們的工作、生活中[1]。隨著鋰離子電池技術的發展，鋰離子電池的研制逐漸向兩個方向發展，一個是高比能量型，一個是高比功率型。電動工具、混合型動力汽車、水中兵器[2-3]以及定向能武器等設備，都對鋰離子電池的高比功率性能提出了較高的要求。從國內外研究現狀看，目前高功率鋰離子電池的比能量在70～140 Wh/kg，在滿足高功率輸出的同時，能量密度偏低，隨著新材料應用和設計水平、質量控制、結構設計和工藝水平等多方面的提高，高比能量、高比功率鋰離子電池的研究會成為一個重要方向。本文旨在研制一款高比功率的鋰離子電池，同時保證該產品還具有較高的比能量。

1 實驗

1.1 材料選擇

根據功率與能量密度的要求，正極選擇小顆粒111型NCM三元材料作為活性物質，負極選擇小顆粒天然石墨；為了提高正極的電子導電性，導電劑選擇CNT與SFG-6混合的方式；隔膜選擇了普通隔膜和陶瓷隔膜；電解液選用高功率型電解液。

1.2 軟包裝電池制作

分別將正、負極活性物質、導電劑和粘結劑以一定比例混合后，加入一定的溶劑攪拌均勻，采用噴涂設備，以間歇涂布方式將漿料分別涂到15 μm的鋁箔和8 μm的銅箔上。其中正極涂布面密度為26 mg/cm2，壓實密度3.0 mg/cm3；負極涂布面密度為12.6 mg/cm2，壓實密度1.5 mg/cm3。然后采用沖切工藝將電極制成設計的尺寸，烘烤，制袋，疊片制成芯包，入袋，注液，陳化，化成。

預充化成完成后，電池基本參數如表1所示。

表1 電池基本參數

2 結果與討論

2.1 倍率性能測試結果

測試條件：環境溫度(25±5)℃，電池以15 A恒流充電到4.2 V，轉恒壓充電0.15 A截止；靜置60min；分別以3C、5C、10C、20C放電到3.0 V，測試不同倍率下電池的容量保持率與溫升，結果見表2～表3、圖1～圖4。

表2 A電池不同放電倍率下的性能參數

表3 B電池不同放電倍率下的性能參數

由表2中可以看出，A電池具有良好的倍率性能，在高倍率情況下還具有良好的容量保持率，在20C放電情況下，容量保持率達到91.2%，特別是從設備需求的能量角度分析，20C條件下的能量保持率達到了80%以上，滿足設備需要。從圖2中還可以看出，A電池溫度的升高是相對緩慢的，放電最高溫是在放電結束后幾分鐘內達到的，而且最高溫度為57.2℃，顯示出電池的內阻特性良好。

圖1 A電池在不同放電倍率下的放電曲線

圖2 A電池在不同放電倍率下的溫度曲線

圖3 B電池在不同放電倍率下的放電曲線

圖4 B電池在不同放電倍率下的溫度曲線

由B電池的倍率測試結果可以看出，與A電池相比，使用陶瓷隔膜后，電池的質量增加了約10 g，比能量稍低，且倍率性能有所下降，10C容量保持率由96.0%降低到92.8%，20C由91.2%降低到86.7%。盡管電池的最高溫仍然出現在放電結束以后，但電池的溫升明顯加快，不利于電池的組合應用。

2.2 功率性能測試結果

測試條件：采用混合脈沖功率性能(HPPC)測試，在環境溫度(25±5)℃，電池以15 A恒流充電到4.2 V，轉恒壓充電0.15 A截止；靜置60min；電池調整到90%荷電狀態(SOC)，以10電流脈沖放電10 s，靜置60min；以7.5C電流脈沖充電10 s，靜置60min；繼續調整電池SOC狀態，分別測試80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%SOC的功率性能。測試結果見表4～表5、圖5～圖8。

表4 A電池的功率性能

表5 B電池的功率性能

圖5 A電池不同荷電態下的直流內阻

圖6 A電池不同荷電態下的比功率

圖7 B電池不同荷電態下的直流內阻

圖8 B電池不同荷電態下的比功率

從HPPC功率測試來看，A電池的DCR較小，在不同的荷電狀態，DCR變化緩慢，功率性能良好。50%SOC下，放電比功率為3 040 W/kg，與20C持續放電的比功率相當。

從HPPC功率測試來看，B電池的DCR比A電池略大，在不同的荷電狀態，DCR變化也較緩慢，功率性能良好。50% SOC下，放電比功率為3 025 W/kg，與A電池相比，功率性能稍低，即采用陶瓷隔膜后，電池的直流內阻會增加，功率性能也會有相應的下降。

2.3 安全性能測試結果

根據系統設備的要求，對A、B兩款電池都進行了短路、過充、過放、擠壓和針刺實驗。A、B兩款電池在短路、過充、過放實驗中都表現出了良好的安全性，不起火、不爆炸、不泄漏。但在擠壓實驗過程中都出現起火現象，在針刺實驗過程中A電池出現起火，B電池未起火，通過針刺測試。從安全性能來看，目前制備的高功率高能量密度型電池未能完全滿足電池安全性要求，需要進一步改進設計。

3 結論

采用以上配方和工藝制備的高功率鋰離子電池具有良好的功率性能，比能量可達到170 Wh/kg，比功率能達到3 000 W/kg以上，可以達到20C持續放電，容量保持率大于90%。

從安全性能測試來看，電池安全性能還有待進一步提高。后期將通過改善正負極材料[4]、隔膜[5]、電解液[6]等方法提高電池的熱穩定性，通過優化制造與裝配等工藝過程改善電池的安全性。

根據設備的應用需求，后續還需要對電池的高低溫性能、循環壽命和儲存性能進行進一步研究。

[1]畢道治.大容量高功率鋰離子電池研究進展[J].電池工業，2008，13(2)：114-119.

[2]呂汝信.從歐洲水下防務展看魚雷發展趨勢[J].魚雷技術，2007，15(2)：8-11.

[3]錢東，崔立，薛蒙.美國新一代電動力輕型魚雷研發策略分析[J].魚雷技術，2007，15(6)：1-4.

[4]FENG X M，AI X P，YANG H X，et al.A positive-temperaturecoefficient electrode with thermal cut-off mechanism for use in rechargeable lithium batteries[J].Electrochemistry Communications，2004，6:1021-1024.

[5]PETR N，KLAUS M，SANTHANAM K S V，et al.Electrochemically active polymers for rechargeable batteries[J].Chem Rev，1997，97:207-281.

[6]FENG J K，SUN X J，AI X P，et al.Dimethyl methyl phosphate:a new nonflammable electrolyte solvent for lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources，2008，184:570-573.

Development of high power lithium ion battery

Two kinds of 15 Ah soft-package lithium ion batteries with high power were prepared.The performances of batteries were characterized by rated-discharge test，HPPC test and safety test.The results show that the batteries have high energy density of 170 Wh/kg,high power density of above 3 000 W/kg,and good power characteristics.

lithium-ion battery;high power;energy density

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1167-03

2016-04-11

毛國龍(1976—)，男，浙江省人，高級工程師，主要研究方向為鋰離子電池應用。