鋰離子電池正極材料高溫存儲性能測試新方法研究

張陽 周孟姣 劉林佩 顧然

【摘 要】現(xiàn)階段，鋰離子電池是應(yīng)用較為廣泛一種電池，其具有體積小、重量輕、能量密度高、平臺電壓高、對環(huán)境污染小等特點(diǎn)，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要通過軟包電池測試實(shí)驗(yàn)和紐扣電池測試實(shí)驗(yàn)，對鋰離子電池正極材料高溫存儲性能進(jìn)行了測試研究。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池正極材料;高溫存儲性能測試;新方法

【中圖分類號】TM911 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

1.引言

在高溫的狀態(tài)下，鋰離子電池在使用的過程中，其正負(fù)極材料與電解液會發(fā)生反應(yīng)，會有氣體產(chǎn)生，從而導(dǎo)致電池膨脹等現(xiàn)象發(fā)生。可見，鋰離子電池正極材料的高溫存儲性能對其應(yīng)用范圍造成一定程度的制約。通常通過制作軟包全電池來研究鋰離子電池的高溫存儲特性，但該方法易受到負(fù)極材料的影響，且測試結(jié)果不穩(wěn)定。而紐扣電池具有制作時(shí)間短、測試時(shí)間快、可靠性高等特點(diǎn)。因此要加大紐扣電池測試方法的研究和推廣，從而實(shí)現(xiàn)正極材料高溫存儲性能的快速判斷。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1制備實(shí)驗(yàn)電池

2.1.1制備軟包電池

首先要選取正極材料樣品，用于制備正極極板。本次采用4種鋰離子電池鈷酸鋰正極材料樣品，并依次進(jìn)行了標(biāo)識，分別為A、B、C、D，并將其按照一定質(zhì)量比（95：3：2）將四種樣品與聚偏二氟乙烯、導(dǎo)電炭黑SP、一定量NMP等材料進(jìn)行混合，從而獲取均勻的漿料。此外，將漿料涂布在鋁箔（16μm）上，待其干燥后，裁切、壓延所得到的正極極板，為后續(xù)的試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

其次要選取負(fù)極相關(guān)材料，用于制備負(fù)極極板。本次采用人造石墨、導(dǎo)電炭黑SP、CMC、SBR溶液、去離子水等材料，相對應(yīng)的質(zhì)量為950g、13g、14g、46g、1200g，將這些材料混合均勻，最終完成負(fù)極漿料的調(diào)制。將漿料涂布在銅箔（10μm）上，待其干燥后，將得到的負(fù)極極板進(jìn)行裁切、壓延[1]。

最后，對正極和負(fù)極極板進(jìn)行焊接極耳，并采用高溫膠帶來強(qiáng)化極耳的加固作用。另外，還要加入隔膜，對其進(jìn)行卷繞、壓實(shí)，之后由軟包鋁塑膜將其包裹;待其封口后，將電解液注入其中，之后進(jìn)行靜置、預(yù)充、二次封口和分容等一系列活動。最終，每種材料制作了30只電池，電池具有500mAh的額定容量，注液量為2.5g。

2.1.2制備紐扣電池

與軟包電池制備一樣，采用四種樣品（A、B、C、D），并按照95：3：2的質(zhì)量比，將四種樣品與聚偏二氟乙烯、導(dǎo)電炭黑SP、一定量NMP等材料混合均勻，從而獲取漿料;將其涂布在16μm的鋁箔上，并進(jìn)行120℃真空干燥，待干燥后對其進(jìn)行裁切，最終獲取鈷酸鋰極片。以此極片為正極，以金屬鋰為負(fù)極，其隔膜選用聚丙烯微孔膜，并加入0.3g的電解液，從而制取紐扣電池。最終，每種樣品制作了20只電池。

2.2軟包電池高溫存儲性能測試

此次高溫存儲性能測試采用的儀器是CT-4008電池測試柜，主要對電池高溫存儲前后的電池容量進(jìn)行測試。相關(guān)測試如下：

存儲前，需對電池進(jìn)行一定的處理，即在常溫下，將其進(jìn)行1C恒流放電，直至其電壓降至3.0V，然后進(jìn)行恒流（1C）恒壓充電，使其增至4.2V，截止電流為0.02C，進(jìn)行兩次循環(huán)操作，對最后一次放電容量進(jìn)行記錄，并對電池的內(nèi)阻、厚度進(jìn)行測試。

將電池放置于一定溫度（70℃）的烘箱中靜置一星期，之后對其進(jìn)行高溫存儲測試。待完成存儲測試后，需立即測試軟包鋰電池的電池厚度，之后將電池進(jìn)行冷卻處理，通常是在25℃下冷卻四個(gè)小時(shí)后，對電池的內(nèi)阻進(jìn)行測試。

采用測厚儀、鋰電池電壓內(nèi)阻測試儀來對軟包鋰電池高溫存儲前、后的電池厚度、電池內(nèi)阻進(jìn)行測試。軟包鋰電池的相應(yīng)膨脹率和內(nèi)阻增加率計(jì)算公式如下：

軟包電池鼓脹率=（高溫存儲后電池厚度/高溫存儲前電池厚度-1）×100%

軟包電池內(nèi)阻增加率=（高溫存儲后電池內(nèi)阻/高溫存儲前電池內(nèi)阻-1）×100%[2]

2.3紐扣電池充電比容量的測試

將制作的鋰電子紐扣電池進(jìn)行電壓預(yù)充，即以0.2C的電流進(jìn)行預(yù)充，使得電池的電壓達(dá)到4.5V;之后進(jìn)行電流放電，即以0.2C的電流進(jìn)行放電，待電壓為3.0V時(shí)停止放電。將紐扣電池夾到充放電夾具上，將其放入高溫（70℃）烘箱中靜置半小時(shí)，然后以0.2C的電流進(jìn)行恒流充電至4.5V電壓，之后進(jìn)行50個(gè)小時(shí)的恒壓浮充。完成測試后，從測試軟件中，獲取恒壓階段電池浮充過程中的充電比容量數(shù)值。

3.測試結(jié)果分析

3.1紐扣電池沖比容量測試結(jié)果分析

通過測試軟件，獲取了紐扣電池的浮充比容量，如下表1所示，并獲得了浮充時(shí)間與電流相關(guān)的曲線圖，如下圖1所示。

通過對表1、圖1分析可知，A～D四種樣品制作的紐扣電池的浮充測試結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢，表明在相同條件下，四種樣品對浮充測試耐受程度不同，其中樣品D浮充特性最好、A的浮充特性最差。在浮充過程中，紐扣電池的比容量變高，究其原因?yàn)椋捍诉^程中正極材料鋰離子出現(xiàn)多數(shù)脫落，晶格結(jié)構(gòu)遭到破壞，并產(chǎn)生氧氣，過渡金屬元素也從正極溶出;在電解液移動的作用下，離子在負(fù)極獲得電子并沉積，從而使得電池比容量逐步升高[3]。

3.2紐扣電池浮充比容量與軟包高溫存儲鼓脹率的關(guān)系

由上圖可知，四種樣品（A、B、C、D）制作的紐扣電池浮充比容量與軟包電池高溫存儲故障率呈一定的線性關(guān)系，相應(yīng)的線性系數(shù)約為0.95。軟包電池高溫存儲過程中，電池正極材料與電解液發(fā)生一定的反應(yīng)，導(dǎo)致存儲過程中晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易出現(xiàn)坍塌破裂現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著氣體的產(chǎn)生;在電解液的環(huán)境中，正極材料新裸露的表面會與電解液繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣體導(dǎo)致存儲厚度鼓脹率呈現(xiàn)上升趨勢，這與紐扣電池浮充原理呈現(xiàn)相對應(yīng)關(guān)系[4]。

4.結(jié)束語

總而言之，鋰電池電池正極材料高溫存儲性能測試是對電池性能的一種重要測試，通過對軟包全電池和紐扣電池的實(shí)驗(yàn)分析和研究可知，可通過紐扣電池相關(guān)實(shí)驗(yàn)來對電池正極材料高溫存儲性能進(jìn)行測試，且測試過程較為簡單，測試效率高，是未來相關(guān)測試的趨勢，因此要對其進(jìn)行相關(guān)研究和推廣，從而更好地發(fā)揮鋰電池的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]于鵬，劉亞飛，陳彥彬，等.鋰離子電池正極材料高溫存儲性能測試新方法研究[J].山東化工，2017，46（19）：93-94.

[2]鐘盛文，楊海洋，張騫，等.錳基正極材料混合鋰離子電池高低溫性能研究[J].電源技術(shù)，2015，39（5）：893-895.

[3]佚名.錳酸鋰電池正極材料晶體圖像分析及性能測試[J].電源技術(shù)，2018，42（8）：30-32.

[4]何湘柱，胡燚，鄧忠德，等.鋰離子電池混合正極材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/LiFePO4[J].電子元件與材料，2017，36（3）：31-37.