导电涂层铝箔对LiFePO4电池性能影响研究

陆卫忠，廖小珍，朱广焱

(1.上海中兴派能能源科技有限公司，上海201203；2.上海交通大学化工学院，上海200240)

导电涂层铝箔对LiFePO4电池性能影响研究

陆卫忠1，廖小珍2，朱广焱1

(1.上海中兴派能能源科技有限公司，上海201203；2.上海交通大学化工学院，上海200240)

导电涂层铝箔是在铝箔上涂覆小于1m m的导电涂层，作为正极集流体在电池中使用。随着动力电池的发展，对电池的性能要求越来越高，磷酸铁锂等纳米级正极材料迅猛发展。导电涂层铝箔作为解决纳米级材料的加工问题和电性能提升的关键材料，也得到长足的发展。导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池的循环性能、倍率性能及低温性能都有显著提升。

导电涂层铝箔；磷酸铁锂；电池性能

自从1997年Padhi等开创性地提出了锂离子二次电池阴极材料LiFePO4以来，它一直是学者们研究热点。相对于其它正极材料，LiFePO4有较高的比容量(约170m Ah/g)、平缓的充放电平台、良好的可逆性、高安全性、廉价易于制备，且对环境友好，成为动力电池正极材料的最佳选择[1]。为了提高磷酸铁锂电池的性能，使其更加适应储能、电动汽车的应用需求，研究者们进行了多种尝试。目前导电涂层铝箔做为磷酸铁锂动力电池体系中的一种功能材料，在A123、BYD、ATL等国内外动力电池企业被广泛使用，显著地提高了电池的低温性能、倍率性能、循环寿命等电性能。本文简单阐述了导电涂层铝箔的制备工艺，重点研究其对LiFePO4动力电池的电性能影响。

1 导电涂层铝箔概况

如图1所示，锂离子电池包含正极、负极、隔膜、电解液、外包装等。将活性物质与胶黏剂(PVDF)、导电剂(导电炭黑等)、溶剂(NMP)等搅拌均匀，调成合适的黏度，涂覆在集流体上，经历烘干、辊压，分切等一系列操作，制成电池极片。常规工艺中，正极及钛基负极使用的集流体为10～30m m厚的铝箔[2]。

导电涂层铝箔实际上是集流体铝箔的一种预处理技术。利用专用设备，将特制导电浆料均匀涂覆于铝箔两侧，烘干后形成单面＜1m m厚的导电涂层。图2是使用导电涂层铝箔的极片结构示意图。

图1 圆柱锂离子电池结构示意图

图2 使用导电涂层铝箔的极片结构示意图

导电浆料一般由胶黏剂及导电材料组成。商品化的产品工艺、配方均有一点差异。一般胶黏剂为丙烯酸体系，导电材料为导电石墨、VGCF、碳纳米管、石墨烯等。涂层的涂覆工艺也大相径庭，主要体现在加工设备上，现在最常用的是凹版印刷机和挤压式涂布机。目前，导电浆料主要的供应商是德国汉高和日本昭和电工。国内仅有上海中兴派能有系列的成熟产品推向市场。本文中后续实验涂层均基于中兴派能排号为PPC的涂层产品，如图3、图4所示。

图3 PPC导电涂层铝箔产品外观

图4 PPC导电涂层铝箔SEM

2 导电涂层铝箔对电池性能的影响

为了进一步研究导电涂层铝箔对电池性能的影响，我们进行了一系列的对比试验。实验选用18650圆柱型电池。正极选用上海中兴派能C60磷酸铁锂粉末，负极选用深圳贝特瑞AGP-3中间相碳微球，电解液选用东莞杉杉LD-2012，隔膜选用日本宇部20mm单层湿法PP隔膜。正极：质量比C60∶PVDF∶导电剂=93∶4∶3；负极：质量比AGP-3∶CMC∶SBR∶导电剂=95∶1∶2∶2。

对比组选用普通国产20mm铝箔，实验组对相同铝箔进行预处理，涂覆双面小于1mm的PPC导电涂层，其余制备工艺完全相同。

实验组与对比组电池测试工作均在25℃恒温实验室内完成，低温条件由恒温恒湿箱提供测试环境。测试均在深圳新威尔专用锂电池测试设备上完成。

从表1中可见，相同的设计下，使用导电涂层铝箔的实验组电池比使用光箔的对比组电池内阻低1～2mΩ，效果显著。这是由于导电涂层有效减小了活性材料与集流体之间的接触电阻导致的。

2.1 导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池循环性能影响

在动力电池的各种应用领域，电池的循环寿命直接决定了终端产品的寿命。目前各种锂电池体系中，磷酸铁锂电池的寿命表现是最好的。

将D1和S1进行电池循环性能测试，考察容量保持率及平台电压稳定性。循环寿命测试的充放电制度为：1A恒流充电至3.65V，然后恒压至电流为50mA，搁置10min，3A恒流放电至2.5V，搁置10min。平台电压的计算方法是放电总能量(Wh)/放电电流(A)。

如图5所示，电池S1在循环初期，平台电压有一个小量的爬升，待电池内部稳定后，平台电压在前3000次循环中基本稳定在3.125V左右，而D1随着电池循环的进行，平台电压一直在缓慢地下降，从初期的3.10V降低至3.07V左右。平台电压对于电池的功率输出有极重要的意义，相同输出电流下更高的平台电压意味着更高的功率输出。同时，循环过程中稳定的平台电压更利于电池管理系统(BMS)对电池进行有效监控管理，能显著提高电池使用过程中的可靠性。

图5 循环过程中平台电压对比图

从图6中可见，使用导电涂层铝箔的电池S1，相较于使用传统铝箔的D1，具有更好的循环寿命。循环3000次后，D1的容量保持率为90左右，根据已有数据，可预测循环寿命能达到6000次(容量保持率＞80%)，远高于现阶段对车用、储能电池的寿命要求。

图6 循环过程中容量保持率对比

2.2 导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池倍率性能影响

选取D2和S2进行倍率性能测试。用1A电流将两组电池恒流充至3.65V，然后恒压至电流为50mA，搁置10min后，进行20A放电至2.0V，考察容量保持率及放电平台电压。

从图7可见，使用涂层的S2电池具有更高的放电电压，容量保持率也优于D2电池。图7的圈出部分可见，D2电池大电流放电过程中，在进入放电平台电压前出现了一个“坑”，而S2电池却没有出现。这说明使用导电涂层，可以显著的减小电池放电过程中的极化。这一点在更大倍率的放电和低温倍率放电时尤其重要。极化过大，瞬间的极化压降就会使电池电压低于截止电压以下，导致放电终止。

图7 电池20A放电测试

2.3 导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池低温性能影响

选取D3和S3进行低温放电测试。室温下，用1A电流将两组电池恒流充至3.65V，然后恒压至电流为50mA。将电池放至－20℃的恒温箱中搁置24h，然后1A放电至2.0V。

从图8可见，S3的容量保持率为76%，远高于D3的59%，同时，S3有更高的放电电压，放电初期的极化压降也较小。使用导电涂层铝箔对提升低温性能效果显著。

3 结论

本文简述了导电涂层铝箔的发展概况。利用商品化的导电涂层铝箔及成熟的工艺制备18650圆柱磷酸铁锂电池，同时制作同工艺的对比组电池(使用传统铝箔)，评估导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池基础电性能的影响。得到以下几点结论：(1)导电涂层铝箔对电池容量发挥影响不大，但是可以显著减小电池交流内阻；(2)导电涂层铝箔可以有效提升磷酸铁锂电池的循环寿命及循环过程中的电压稳定性；(3)导电涂层铝箔对高倍率下容量保持率影响不大，但是可以显著提高放电平台电压；(4)导电涂层铝箔对磷酸铁锂电池低温性能提升显著，－20℃下可提高接近20%的容量保持率，同时显著提高放电电压，减小极化。

图8 －20℃低温放电测试

随着电动汽车对磷酸铁锂电池的循环寿命、低温寿命、一致性等有越来越高的要求，很多科研院所、企业都在进行工艺优化，以期达到应用需求。导电涂层铝箔作为一种近几年才被引入电池领域的新产品，将会发挥越来越重要的作用。

[1]王连亮.锂离子电池征集材料LiFePO4的结构和电化学反应机理[J]．化学通报，2008(1)：17-23.

[2]JUGOVICD.Areviewofrecentdevelopmentsinthesynthesisproceduresoflithiumironphosphatepowders[J]．JournalofPower Sources，2009，190：538-544.

Research on effectof conductive pre-coating aluminum foilon LiFePO4battery performance

LUWei-zhong1，LIAO Xiao-zhen2，ZHU Guang-yan1
(1.ShanghaiPylon Technologies Co.，Ltd.，Shanghai201203，China;2.SchoolofChemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

The conductive pre-coating alum inum foil is the alum inum foilw hich is coated conductive coating less than 1m m，as the cathode collector used in the battery.W ith the developmentof the battery，the battery performance requiremen ts are higher，and nano-scale cathode m aterials such as LiFePO4develop rap id ly.As an im portant material，pre-coating alum inum foilalso develops rapidly.The pre-coating alum inum foil can significantly improve cycle perform ance，rate capability and low tem perature perform ance of the LiFePO4battery.

conductive pre-coating alum inum foil;LiFePO4;battery performance

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1347-03

2015-12-02

陆卫忠(1984—)，男，江苏省人，工程师，硕士，主要研究方向为锂离子电池。