高功率動力電池負極材料的研究

張火成，郭玉彬，張 娜，王永武

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

高功率動力電池負極材料的研究

張火成，郭玉彬，張 娜，王永武

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

對鋰離子動力電池負極用材料：中間相碳微球(MCMB)、軟碳(SC)進行了對比研究。發現MCMB在高倍率放電性能上表現較好，而軟碳材料在高倍率充電性能方面更加突出。為得到在高倍率充電、放電性能兩方面都比較優越的負極材料，對MCMB和軟碳進行了不同比例混摻的研究，結果表明：當MCMB與軟碳的混摻比例達到5∶5時，電池的大倍率充放電性能表現較優越，能夠滿足功率型電池應用的需要。

鋰離子電池；MCMB；軟碳；混摻；倍率充放電

隨著鋰離子電池行業的發展和電動汽車技術的日益成熟，動力鋰離子電池的應用越來越廣泛，對其性能要求也隨之提高，尤其是如何提高電動汽車用電池大倍率充放電性能成為了研究熱點。

在已有的碳材料中，中間相碳微球(MCMB)是目前應用較廣泛的材料之一[1]，石墨化中間相碳微球作為鋰離子二次電池負極活性材料時，具有堆積密度大、體積比容量高、比表面積小、循環性能好、價格較低等優點；其缺點是大倍率充電性能比易石墨化碳材料(軟碳)低[2]，且與磷酸鐵鋰(LiFePO4)正極活性材料搭配使用時，電池工作電壓較平坦[3]，不利于電動汽車管理系統檢測和管理。軟碳作為鋰離子二次電池負極活性材料，具有與電解液相容性好、大倍率充電性能優越等優點[4]；然而由于其比表面積大、不可逆容量較高、壓實密度低等缺點，導致了大倍率放電性能低于MCMB。

本文對比了MCMB與軟碳作為鋰離子動力電池負極材料的優缺點，并且研究了兩種材料不同比例的摻雜對電池性能的影響，確定了最優摻雜比例，改善了負極材料的大倍率充放電性能。

1 實驗設計

本文采用LiFePO4作為正極活性物質，其與導電劑、粘結劑按照質量比94∶2∶4的配比混合均勻，按照目前工業上廣泛采用的鋰離子電池正極生產工藝進行勻漿、涂覆、碾壓、分切、烘干，待裝配。

負極采用MCMB與軟碳(SC)混合材料作為負極活性物質，MCMB∶SC混摻比例分別10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10。負極材料與導電劑、粘結劑按照90∶5∶5混合均勻，以目前工業上廣泛采用的鋰離子電池負極生產工藝進行勻漿、涂覆、碾壓、分切、烘干，待裝配。

按照電池制作工藝，分別將烘干的正極片與負極片及星源25 μm隔膜進行裝配，組裝電池，待測試。

使用Arbin電池測試設備，對電池進行倍率充放電測試，測試條件為：電池充放電電壓控制在2.0～3.65 V，電流1C= 7 Ah，無特殊說明測試溫度為(25±2)℃。

2 實驗數據與分析

2.1 放電倍率性能

從圖1和表1中的數據可以看出，MCMB在1C～40C放電倍率性能均高于軟碳。在30C開始MCMB放電百分比逐漸提高，溫度的累積可能是導致這一現象的主要原因。電池在高倍率大電流放電過程中，累積的熱量得不到及時的散發，造成電池升溫，并且該電池采用的正極材料LiFePO4具有高溫放電性能佳的特性，因此隨著倍率的升高，反而會出現放電百分比升高。隨著MCMB摻雜比例的提高，摻雜材料的倍率放電性能相比軟碳材料得到了明顯的提高。當MCMB與軟碳比例為8∶2時，放電倍率百分比僅比單純的MCMB材料低2%～3%。MCMB與軟碳的混摻比例為5∶5時30C～40C的放電百分比能夠達到80%左右。

表1 放電倍率性能 %

圖1 放電倍率性能對比

2.2 充電倍率性能

從圖2和表2中的數據可以看出，MCMB在15C后的充電倍率性能低于軟碳材料8%左右，到20C時MCMB材料充電性能出現驟降，僅為20%左右，這說明MCMB在大倍率充電時，電化學極化較高。而隨著軟碳的混摻，充電倍率百分比逐漸增大，電化學極化逐漸減少，當軟碳與MCMB比例為2∶8時，放電倍率百分比僅比單純的MCMB材料低3%左右。當混摻比例為MCMB∶SC=5∶5時，20C的充電倍率仍然能夠保持在60%左右。

圖2 充電倍率性能對比

表2 充電倍率性能 %

綜合電池倍率充放電性能數據，本文認為當MCMB∶SC=5∶5時，結合了各自材料的優點，電池的倍率充放電性能均較好。

2.3 循環性能對比

從圖3中的數據可以看出，經過600次1C的循環測試后，MCMB放電容量百分比為95%左右，容量保持率較高，軟碳為92%左右，MCMB∶SC=5∶5混摻時為93%左右，比軟碳略有提高，具備較好的循環穩定性。

圖3 1C循環性能對比

3 結論

從本文的實驗結果中可以得出如下結論：

(1)從倍率放電性能方面比較，MCMB在40C下放電百分比能夠達到91%左右，遠高于軟碳。

(2)軟碳在充電倍率方面具有明顯優勢，20C下充電百分比比MCMB高出55%左右。

(3)摻雜材料中，隨著MCMB比例的增加，電池的倍率放電性能逐漸上升；反之，隨著軟碳材料比例的提高，電池倍率充電性能得到改善。

(4)綜合充放電性能，不同比例混摻材料中，MCMB與軟碳混摻比例為5∶5時的充放電兩方面表現都較好。放電倍率百分比20C～40C能夠達到80%左右，充電倍率10C為80%左右，20C下也能夠達到60%左右。

(5)MCMB與軟碳混摻比例為5∶5時，電池600次循環容量保持率也在90%以上。

[1]盧萌，李鐵虎，趙廷凱，等.中間相炭微球作為鋰離子電池負極材料的研究進展[J].炭素，2013(1)：1-3.

[2]CHEN Z H,WANG Q Z,AMINE K.Improving the performance of soft carbon for lithiun-ion battery[J].Electrochimica Acta,2006, 51:3890-3894.

[3]盧俊彪，唐子龍，張中太，等.LiFePO4材料的制備與電池性能的研究[J].無機材料學報，2005(3)：667-669.

[4]WINTER M,PASSERINI S,BALDUCCI A.On the use of soft carbon and propylene carbonate-based electrolytes in lithium-ion capacitors[J].Journey of the Electrochemical Society,2012,159(8): A1240-A1245.

Study of anode materals for high power battery

Mesocarbon microbeads(MCMB)and soft carbon(SC)commercially used anode materials of lithium ion power battery were compared.It is found that the rated discharge property of MCMB is better than SC,while the rated charge performance is more excellent than the other.In order to achieve satisfactory rated performances of both charge and discharge,the mixing proportion of MCMB and SC was researched.The results show that when the ratio of MCMB and SC reaches 5∶5,the superior rated charge and discharge properties are obtained,which can meet the performance need of the high-power lithium ion battery in application.

lithium ion batteries;MCMB;soft carbon;mixing;rated charge and discharge properties

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1170-02

2015-12-12

國家“863”計劃(SS2012AA110301)

張火成(1983—)，男，河北省人，研發工程師，主要研究方向為高功率型鋰離子動力電池。