正極壓實密度對動力電池性能的影響

杜培培，張利波，樊彥良，于　瑜

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

正極壓實密度對動力電池性能的影響

杜培培，張利波，樊彥良，于瑜

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471003)

以自制70 Ah電動汽車用鋰離子動力電池為研究對象，重點考察了不同的正極壓實密度對電池循環(huán)性能及倍率性能的影響。結果表明：正極壓實密度為2.4 g/m3，動力電池有最好的循環(huán)壽命，首次放電比容量為135.1 mAh/g，1C放電倍率下循環(huán)1 655次后，容量保存率為87.8%；3C倍率放電容量是0.3C的92.4%。

壓實密度；鋰離子動力電池；循環(huán)性能；倍率性能

隨著全球氣候變暖及能源危機的日益嚴重，世界各國對新能源尤其是新能源汽車的重視程度與日俱增，電動汽車與混合電動汽車以完美的技術優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的市場潛力；而其中作為動力系統(tǒng)的鋰離子電池成為目前電動汽車發(fā)展的瓶頸所在，其循環(huán)壽命的長短已成為人們研究的熱點之一。眾所周知，鋰離子電池的循環(huán)壽命，不僅與電池體系中正負極材料，隔膜材料的選取有關，更與電池的制作工藝過程有很大關系。本文側重研究了不同壓實密度下的正極材料對疊層鋰離子電池循環(huán)性能及倍率充放電性能的影響，并確定了最佳的壓實密度參數(shù)，以期為實際生產(chǎn)起到指導作用[1-7]。

1　實驗

1.1電池制作

正極極片制備：將正極材料LiFePO4、導電劑、粘結劑按一定比例合成漿料，按照一定的面密度把漿料均勻涂敷在鋁箔集流體上，再經(jīng)干燥、碾壓，分切等工序制成正極片，其中碾壓工序中分別按照壓實密度為2.1、2.2、2.3、2.4、2.5 g/m3進行輥壓，得到五種極片分別命名為A、B、C、D、E。

計算公式：壓實密度=涂布面密度/(輥壓后極片厚度-鋁箔厚度)

負極極片制備:負極人造石墨、導電炭、水性粘結劑按一定的比例合成漿料，按照一定的面密度均勻涂布于銅箔上，再經(jīng)干燥、碾壓，分切等工序制成正極片。

電池制作:以70 Ah動力電池為研究對象，將五種不同壓實密度下的正極片分別與負極片用隔膜分隔后采用疊片工藝制作成電芯，經(jīng)裝配、電芯干燥、封裝、注液、化成等工藝制作成五種實驗動力電池 (分別命名為Cell-A,Cell-B,Cell-C, Cell-D,Cell-E)。具體的壓實密度設計表如表1所示。

表1　不同壓實密度設計表

1.2測試及儀器

將電池置于所購深圳新威爾電子有限公司 (簡稱新威) BTS-5V/50A-T-EV2.5V型號化成定容設備上進行化成，定容后，使用日本日置(HIOKI-3554)電池測試儀對電池分別進行電壓、內(nèi)阻測試；循環(huán)性能測試采用新威BTS-5V/100A-T-EV2.5 V充放電測試儀，測試條件如下；充放電電壓范圍為2.50～3.65 V，采用0.3C充電，1C放電進行循環(huán)性能測試；倍率充放電性能采用0.3C充電3C倍率放電。

2　結果與討論

2.1電池定容后數(shù)據(jù)

表2為不同壓實密度的正極片配同一壓實密度負極片所做電池化成、定容后數(shù)據(jù)。從表中明顯可看出，當壓實密度為2.4 g/m3時，電池的單片比容量、質(zhì)量比容量及首次充放電效率達到最大值；我們發(fā)現(xiàn)，隨著壓實密度的增加，單片電極的比容量、質(zhì)量比容量和循環(huán)性能均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且內(nèi)阻并未出現(xiàn)明顯變化；分析原因，可能主要是由于壓實密度的不同造成粒子之間的距離及間隙有明顯差異，而顆粒之間的接觸程度并未發(fā)生明顯變化；壓實密度過大或過小，均不利于離子的嵌入與脫出，從而增大電池的極化，影響電池的充放電效率。而電池的內(nèi)阻并未發(fā)生明顯變化，說明隨著壓實密度的增加，電池內(nèi)阻會呈現(xiàn)一定的下降，但當達到一定值時，內(nèi)阻變化不再明顯。

表2　不同壓實密度電池實驗數(shù)據(jù)

2.2壓實密度對電池循環(huán)性能的影響

圖1為不同壓實密度下電池1C放電倍率下的循環(huán)曲線圖。從圖中明顯可以看出，不同的壓實密度對電池的循環(huán)性能影響較大；五組測試電池的初始放電容量分別為73.01、72.45、72.63、73.33和76.28 Ah；經(jīng)1 655次循環(huán)后，電池的容量分別下降至58.52、59.13、62.48、64.40 Ah及63.98 Ah，容量保持率分別為80.15%、81.61%、86.02%、87.83%及83.87%,；從圖中可以看出，五組測試電池在前500次循環(huán)中，并未出現(xiàn)明顯的循環(huán)性能差異；經(jīng)500次循環(huán)后，不同壓實密度下電池的容量逐漸出現(xiàn)差異。從圖中可知，當壓實密度較小時，材料的容量衰減高于壓實密度相對較大時；且當壓實密度為2.4 g/m3時，電池的容量衰減最小、容量保持率最高、循環(huán)性能較好。這可能是因為壓實密度過小時，極片厚度較大，活性物質(zhì)顆粒之間的接觸不夠充分，電解液的滲透在一定程度上將增大顆粒之間的距離，鋰離子嵌入與脫出時路徑變長；隨著循環(huán)的進行，正極材料顆粒的分化將這種不良接觸效應放大化，從而導致內(nèi)部極化現(xiàn)象逐漸增大，電池內(nèi)部溫度逐漸增高，中值電壓逐漸變小，當壓實密度過大時，涂層過實，活性物質(zhì)顆粒之間的距離及間隙較小，電解液滲透深度不足的負面影響超過顆粒之間的良好接觸程度，在鋰離子的充放電過程中，不利于離子的快速移動及電子的傳遞，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電解液在活性物質(zhì)表面的氧化分解，使得涂層內(nèi)部的未反應區(qū)域加大，電池極化增大，容量衰減加劇[8]。

圖1　不同壓實密度的電池在1C下的循環(huán)性能

2.3壓實密度對電池內(nèi)阻的影響

表3為不同壓實密度下電池經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)后的內(nèi)阻值。從表中可以看出，電池循環(huán)1 500次后，Cell-A、Cell-B、Cell-C、Cell-D、Cell-E五組電池的內(nèi)阻分別從0.36、0.36、0.35、0.35、0.35 mΩ增加至0.67、0.71、0.53、0.46 mΩ及0.58 mΩ。實驗數(shù)據(jù)充分表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)阻均明顯增大；電池內(nèi)阻的變化在一定程度上反映電池的極化程度，可以明顯看出，Cell-D組電池內(nèi)阻變化較小，內(nèi)阻增長率最低，僅為31.43%，表明電池極化較小，這與圖1電池循環(huán)性能的實驗結果一致。

表3　不同壓實密度電池內(nèi)阻測試結果

表4　不同壓實密度電池0.3 C和3 C倍率下的放電容量

圖2　不同壓實密度的電池3C倍率放電曲線圖

2.4壓實密度對倍率性能的影響

表4為不同壓實密度下五組實驗電池在0.3C及3C下的放電容量。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，不同壓實密度對電池倍率性能有一定的影響，當放電倍率從0.3C增至3C時，五組電池的容量差分別為8.3、7.1、6.4、6.1 Ah及6.3 Ah，倍率放電比例分別為88.7%、90.3%、91.5%、92.4%及91.9%。分析可知，當壓實密度為2.4 g/m3時，電池容量差最小；而從圖2中也可以看出，當達到3C倍率放電時，Cell-D組電池放電平臺電壓最高，放電平臺較穩(wěn)定，表明電池內(nèi)阻極化較小，深度放電時，可逆容量的損失較少；因此，可推斷壓實密度太大或太小都影響動力電池的倍率性能，合適的壓實密度既能保證粒子間的充分接觸又不至于堵塞離子通道，同時有利于離子的快速移動及良好的電子導電性[9]，減小放電電壓極化，增加放電平臺電壓[10]。

3　結論

適當?shù)恼龢O壓實密度可降低動力電池的內(nèi)阻，提高動力電池的循環(huán)壽命及倍率性能。本體系中正極壓實密度為2.4 g/m3時，動力電池的放電比容量最高，電池極化最小，循環(huán)壽命及倍率性能最佳，0.3C放電倍率下首次放電比容量為135.1 mAh/g，1C放電倍率下循環(huán)1 500次后，電池內(nèi)阻增長率為31.43%，循環(huán)1 655次后，容量保存率為87.8%；此外，3C倍率放電容量是0.3C的92.4%。

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Effect of positive press density on performance of power lithium batteries

DU Pei-pei,ZHANG Li-bo,FAN Yan-liang,YU Yu
(China Aviation Lithium Battery(Luoyang)Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471003,China)

The effects of various cathode compaction densities on cycling performance and rate capability of the power lithium ion batteries used in self-control 70 Ah electric vehicles were investigated.The results suggest that the cathode with a compaction density of 2.4 g/m3can deliver the best cycling lifetime.The first discharging specific capacity is as high as 135.1 mAh/g.The capacity retention ratio can be maintained at 87.8%after 1 655 at 1C.The discharging specific capacity of 3C is 92.4%as that of 0.3C.

press density;lithium-ion power battery;cycle performance;rate performance

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1918-02

2016-03-25

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(2012AA-110204)

杜培培(1984—)，女，河南省人，工程師，主要研究方向為鋰離子動力電池生產(chǎn)工藝。