鋰氟化碳電池電極參數設計與電性能研究

王云河，魏冰歆

鋰氟化碳電池電極參數設計與電性能研究

王云河1，魏冰歆2

（1. 海軍裝備駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

高比能兼具功率密度的電池在特殊國防軍用領域有著極高的應用價值。鋰氟化碳電池作為目前比能量最高的一種鋰/固體正極電池，具有在水中兵器電源中進一步發(fā)展的潛力。本文采用不同電極參數組裝的鋰/氟化碳軟包電池，對其倍率放電性能進行試驗并分析，最后得出不同電極參數對電池性能的影響。

鋰原電池 正極材料 氟化碳 面密度

0 引言

鋰原電池在我國遠程水下對抗類裝備上多有應用，如航程循環(huán)水雷、誘餌雷、布雷系統(tǒng)等。對于水中兵器來說，電源系統(tǒng)應滿足體積小、重量輕、質量及體積能量密度高、使用溫度范圍寬、貯存壽命長等需求。同時，對于需要維護簡單、貯存壽命長的軍用環(huán)境來說，鋰原電池更具優(yōu)勢[1-3]。

鋰/氟化碳(Li/CF)電池是一種以金屬鋰為負極，氟化碳為正極的一次電池。與其他常用的鋰原電池，如鋰/二氧化錳(Li/MnO2)電池、鋰/二氧化硫(Li/SO2)電池、鋰/亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池相比，鋰/氟化碳電池具有能量密度高、安全性好等優(yōu)點[4,5]。其中，當CF中=1 時，對應的鋰/氟化碳電池理論比能量約為2180 Wh/kg，在固體正極材料中最高[6]。

本文通過對氟化碳軟包電池開展電極參數設計及電性能研究，對不同電極面密度下的電池放電倍率等性能進行了詳細分析。得出了正極面密度為5 mg/cm2時，鋰氟化碳軟包電芯具有較高體積能量密度等結論。

1 試驗方案

1.1 電池的制備

采用氟化碳作為正極材料、鋰帶作為負極材料，正極材料配方為質量比90（CF）:5（Super-P）:5（PVDF），負極按照理論所需過量10%設計，正極集流體為12 μm涂碳鋁箔，負極集流體為8μm銅網，隔膜為Clgarde商用隔膜，電解液體系為PC+DME+LiBF4。

圖1 氟化碳軟包電芯圖

1.2 電極參數的設計

軟包電芯正極片采用固定的壓實密度，該壓實密度經過試驗優(yōu)選。正極涂布單面面密度設計為3.0、5.0、7.0及9.0 mg/cm2，電池額定容量均統(tǒng)一設計為20Ah。四種電芯按照電極面密度從小到大依次命名為1號、2號、3號和4號電池，表1為電池正極片設計參數。

表1 電池正極片設計參數

1.3 表征及測試方法

通過掃描電子顯微鏡(SEM，FEI/Quanta 250)觀察氟化碳粉體的微觀形貌。使用武漢藍電CT3001B電池測試儀(5 V-100 A)及上海龍躍高低溫測試柜在25 ℃進行不同倍率的放電測試。其中倍率放電性能參數設置為0.5 C，1 C，3 C，放電截止電壓為1.75 V。軟包電芯放電前靜置12 h。

2 結果與討論

2.1 粉體表征

對購買所得的氟化碳形貌進行SEM觀測，結果如圖2。由圖可知，通過高溫制備的氟化碳材料仍保持有石墨材料的層狀結構。且氟化碳顆粒為不規(guī)則形狀，大小在10 μm左右。

圖2 氟化碳粉體SEM圖

2.2 電化學性能表征

圖3、4、5為4種不同面密度的軟包電芯放電曲線。在0.5C放電時，4種極片的放電中值電壓和克容量相近，其克容量分別為801.9 mAh/g 、789.9 mAh/g 、783.2 mAh/g 和779.2 mAh/g，克容量承遞減的趨勢。在1.5 C及3 C的放電倍率下，電芯容量的發(fā)揮隨著面密度的增大逐漸減小，1.5C倍率下分別為735.6 mAh/g、728.8 mAh/g、700.8 mAh/g和660.8 mAh/g，以及3C倍率下分別為691.2 mAh/g、594 mAh/g、557.7 mAh/g和579.4 mAh/g。在壓實密度一定的條件下，更小的面密度意味著更薄的極片厚度，有利于電子和離子的傳輸，其材料克容量也有更好的發(fā)揮。

圖3 四種不同面密度的軟包電芯在0.5C的放電曲線

圖4 四種不同面密度的軟包電芯在1.5C的放電曲線

然而對整體電芯來說，體積比能量是更重要的指標，圖6為4種電芯在不同倍率下的體積比能量。由圖可知，在不同倍率下，面密度為5 mg/cm2的極片體積比能量最大，面密度為3 mg/cm2的極片體積比能量最低，而面密度為7 mg/cm2和9 mg/cm2的極片體積比能量較為接近，無明顯優(yōu)劣差別。對于軟包電芯來說，面密度的提高使集流體、隔膜等輔材的用量減少，然而過高的面密度會導致極片變厚集流體數量減少，阻礙電子傳輸，同時電解液滲透情況不佳時，離子傳輸也受到阻礙7。考慮到氟化碳材料放電時導致的極片膨脹較大，將會加深對上述傳輸的阻礙[8]。本次試驗中，以體積比能量作為依據，可知在面密度為5 mg/cm2時鋰/氟化碳軟包電芯性能最佳。

圖5 四種不同面密度的軟包電芯在3C的放電曲線

圖6 四種電芯在不同倍率下的體積比能量

3 結論及展望

氟化碳電池體積能量密度高、電壓平臺穩(wěn)定等多種優(yōu)點，在水中兵器領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚耐ㄟ^研究鋰/氟化碳軟包電芯極片面密度與電性能的關系，得出了在一定條件下，極片面密度為5 mg/cm2的軟包電芯具有最高體積能量密度的結論，研究成果有助于優(yōu)化高比能鋰原電池參數設計，為后續(xù)研究鋰/氟化碳電池提供數據支撐，對未來水中兵器、單兵電源等軍工領域應用提供可靠能源支持。

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Research on Electrode Parameter Design and Electrical Performance of Li/CFx Battery

Wang Yunhe1, Wei Bingxin2

(1. Military Representative Wuhan Office, Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430064; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0008-0003

2021-07-21

王云河（1972-），男，高級工程師。研究方向：化學電源。E-mail: 281067795@qq.com