石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應用

鄔文杰

石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應用

鄔文杰

（焦作市億星鋰電科技有限公司，河南 焦作 454150）

以導電劑碳納米管（CNT）為對照，研究石墨烯作導電劑對電池性能的影響。測試數據表明：層狀的石墨烯能與活性物質磷酸亞鐵鋰（LIFePO4）形成點-面導電網絡，顯著提高電池的倍率性能，且容量保持率、容量恢復率均有提升，但高溫循環性能受到影響。

磷酸亞鐵鋰；CNT乳液；石墨烯乳液；倍率性能；高溫擱置性能

磷酸亞鐵鋰高倍率電池具有安全性佳、循環壽命長、原料儲備豐富等優點。但是，磷酸亞鐵鋰導電性能差，必須加入導電劑來改善其導電性能。當前，導電劑的種類較多，除SP、VGCF、CNT等外，石墨烯以其優異的物理化學性能得到廣泛關注［1］，是21世紀不可多得的材料，各行各業對其抱有極大希望。作為電池從業者，筆者對石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應用進行探討。

1 材料、設備及儀器

1.1 實驗材料

磷酸亞鐵鋰、CNT乳液、石墨烯乳液、PVDF、鋁箔、碳素粉、CMC、SBR、NMP、去離子水、銅箔、隔膜、電解液（LiPF6）、鋁塑膜、鋁復合極耳及鎳復合極耳。

1.2 主要設備及儀器

混料機（5L）、涂布機（15m烘箱）、輥壓機（直徑550mm）、模切機（350型）、疊片機、烘箱、超聲波焊機、鋁塑膜成型機、頂側封一體機、注液機、化成柜、短路測試儀及測試柜。

2 實驗方法

做成2.7Ah疊片型軟包電池，型號7.0mm（厚）×72mm（寬）×92mm（高）。

2.1 配料

2.1.1 正極配料。正極配料分兩個配方進行，具體為：配方1：磷酸亞鐵鋰、CNT乳液和PVDF的比例分別為93%、2.5%和4.5%；配方2：磷酸亞鐵鋰、石墨烯乳液和PVDF的比例分別為93%、2.5%和4.5%。

2.1.2 負極配料。負極以碳素粉為主料，采用同一配方，碳素粉、CMC和SBR的比例分別為94%、2%和4%。

2.2 實驗方法

把上述材料按照相關工藝攪拌，進行涂布、輥壓、模切、疊片、封裝、烘烤、注液、化成、測試。

3 結果與分析

3.1 倍率性能測試

隨機抽取4只電池，配方1、配方2各2只，常溫下使用200A測試柜進行108A（40C）倍率放電，放電曲線如圖1所示。

表1 高溫擱置數據統計

表2 45℃循環數據統計表題

圖1 放電曲線

由圖1可知，與配方1相比，配方2做出的電池，倍率放電電壓平臺高150mV以上，同時兩曲線的重合度較好。

原因分析：與導電結構有關，石墨烯是片狀結構，與活性物質的接觸為點-面接觸；而碳納米管是纖維狀結構，與活性物質的接觸為點-線接觸［2］，從曲線對比來看，加入石墨烯配方2的電池可以最大化地發揮導電劑的作用，優勢明顯。

3.2 高溫擱置性能

①電池標準充電后，在55±2℃擱置7d，然后在標準環境中存放5h以上，以1.35A（0.5C）恒流放電至2.0V，記錄高溫荷電保持容量。

②電池標準充電后，1.35A（0.5C）放至2.0V，循環3次。記錄高溫恢復容量。

由表1知，與配方1相比，添加石墨烯乳液的配方2電池，高溫保持及恢復均高，分別平均高出2%，1.6%。

偏高原因：添加石墨烯的電池，在擱置過程中，與存在于石墨烯中的鋰離子逐步釋放［3］。

3.3 45℃循環性能對比

45℃±2℃下，電池以2.7A（1C）恒流充電至3.65V，轉恒壓充電至電流降至0.135A，擱置10min，然后5.4A（2C）恒流放電至2.0V，反復循環。

由表2可知，與配方1相比，添加石墨烯乳液的配方2電池，高溫循環隨著次數增加，下降較快。

高溫下降可能與石墨烯片層的排列方式有關［4］。

4 結論

①由于石墨烯是片狀結構，與活性物質的接觸為點-面接觸，而碳納米管是纖維狀結構，與活性物質的接觸為點-線接觸，加入石墨烯的電池可以最大化地發揮導電劑作用，倍率放電優勢明顯。

②添加石墨烯的電池，在擱置過程中，存在于石墨烯中的鋰離子逐步釋放，容量保持率、容量恢復率均有提升。

③添加石墨烯的電池，隨著45℃高溫循環次數增加，下降較快，可能與石墨烯片層的排列方式有關。

［1］X Li，FKang，X Bai，et al.A novel network composite cathode of LiFePO4/multuwalled carbon nanotubes with high rate capability forlithium ion batteries［J］.Electrochemistry Communications，2007（4）：663-666.

［2］T Li，L Gao.A high-capacity graphene nanosheet ma?terial with capacitive characteristics for the anode of lithiumion batteries［J］.J Solid State Electrochem，2012（2）：557-561.

［3］張慶堂，瞿美臻，于作龍.鋰離子電池導電劑研究進展［J］.化學通報，2006（1）：640.

［4］武明昊，陳劍，王崇，等.鋰離子電池負極材料的研究進展［J］.電池，2011（4）：222-225.

Application of Graphene in High Rate Lithium Iron Phosphate Batteries

Wu Wenjie
（Jiaozuo Yixing Lithium Technology Co.Ltd.，Jiaozuo Henan 454150）

In this paper,the effect of graphene as a conductive agent on the performance of the cell was studied by conducting carbon nanotubes(CNT).As indicated by the test data∶graphene can be layered and the active material of lithium iron phosphate(LIFePO4)forming a conductive network point surface,signifi?cantly improve the rate performance of the battery,and the initial capacity and capacity retention,recovery capacity increased,but the cycling performance is affected by high temperature.

lithium iron phosphate；CNT emulsion；grapheneemulsion；rate performance；high temperatureperfor?mance

TM912

A

1003-5168（2017）10-0137-02

2017-09-01

鄔文杰（1985-），男，本科，工程師，研究方向：高性能鋰離子電池研發制造及管理。