提升磷酸鐵鋰電池高倍率性能的研究.pdf

1、自從上世紀九十年代第一塊商品化產(chǎn)品上市，鋰離子電池以其能量密度高，壽命長，對環(huán)境友好等優(yōu)勢，被廣泛關注。鋰離子電池技術的發(fā)展，使得筆記本電腦，手機，相機等便攜式手持設備技術得到長足的發(fā)展，走進千家萬戶，為人們的日常生活帶來便利。
　　正極材料是影響鋰離子電池關鍵性能的核心材料，經(jīng)過研究者們努力開發(fā)，目前常用的穩(wěn)定材料主要有鈷酸鋰（LiCoO2），錳酸鋰（LiMn2O4），鎳鈷錳三元（Li（NiCoMn）O2），NCA和磷酸鐵鋰（L

2、iFePO4）等。磷酸鐵鋰是一種具有橄欖石結構的電池材料，它結構穩(wěn)定可靠，循環(huán)過程中形變小，壽命長，逐漸成為儲能電站和新能源電動汽車替代能源的首選。但是磷酸鐵鋰本征電導率低，離子擴散系數(shù)小，使得其低溫性能，高倍率性能較差。尤其是大功率性能，在EV、HEV、智能電站“削峰填谷”等應用領域至關重要，直接影響其大規(guī)模推廣應用。本文擬使用成熟的電池制造工藝制備18650磷酸鐵鋰電池，通過正極、負極、集流體等關鍵材料的研究改良，提高電池的高倍率性

3、能。
　　首先，考察磷酸鐵鋰材料對電池高倍率性能的影響，分別考察了合成工藝，材料粒徑，含碳量等因素。通過SEM研究，不同工藝制備的磷酸鐵鋰具有完全不同的微觀形貌。使用相同的工藝制備18650電池，對電池的內阻，大電流放電平臺，放電溫升等數(shù)據(jù)進行對比采集，發(fā)現(xiàn)合成工藝對倍率性能的影響并不存在可循的規(guī)律，對最終的倍率性能并不存在決定性的影響。
　　選用了D50為0.667um，1.151um，1.998um，2.481um的材料

4、對比，發(fā)現(xiàn)0.667粒徑的材料制備電池內阻為9.7mΩ，且具有更高的放電平臺，具備更好的高倍率性能，因為較小的粒徑可以減小了鋰離子擴散半徑，提升離子傳輸速率，直接提高倍率性能。值得注意的是，更小的粒徑，直接帶來加工工藝更加困難的弊端，在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮性能和易操作性。
　　含碳量是磷酸鐵鋰一項重要的技術指標，目前主流的是在合成階段加入碳源進行碳包覆。通過TEM測試可以發(fā)現(xiàn)材料最外層均勻包覆一層碳層。實驗室合成了四種不同含碳

5、量的材料進行測試對比，發(fā)現(xiàn)最高含碳量2.0％的材料制備的電池具有9.2mΩ的內阻，2.91V的大倍率放電平臺電壓，25度的放電溫升，所有數(shù)據(jù)均為測試電池中最佳數(shù)據(jù)，說明碳含量越高，倍率性能越好。
　　其次，研究了電池其他關鍵材料對電池的性能影響。通過自制工裝夾具測試極片電阻，統(tǒng)計與之對應的電池性能，發(fā)現(xiàn)極片電阻更低，最終制備的電池內阻越低，高倍率性能越好。在不同厚度的鋁箔測試中，最厚的20um鋁箔制備的電池具有最高的2.61V的2

6、0A放電電壓平臺和最低的43度溫升，倍率性能最好。
　　通過循環(huán)伏安法測試確認，在2.0V-4.2V鋰電池工作電壓區(qū)間內，導電涂層不存在副反應，不會對整個電池的電化學系統(tǒng)產(chǎn)生影響。實驗表明：導電涂層的使用，能夠降低電池內阻1-2mΩ，提高高倍率性能；改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性，平臺電壓循環(huán)3000次維持在3.15V左右，容量保持率90%；低溫放電容量保持率達到76%；顯著提高電池的綜合性能。
　　通過正交實驗確認最佳導電劑添加比例

7、，實驗表明：添加片狀石墨1%，導電炭黑2%，ECP，VGCF，CNTs等大表面積，高導電性材料1-2%，電池具有最佳的綜合性能，SEM照片顯示，此時的電極分散良好，活性材料間隙均勻分布導電材料，構筑了較為完整的導電網(wǎng)絡。
　　最后，研究了負極工藝對電池性能的影響。使用有機系負極新工藝，極片在95±5℃環(huán)境中烘烤16h，水分含量基本達到穩(wěn)定，保持在180ppm左右。電池低溫放電容量保持率為73.92%，20A放電容量保持率為92.6