功率型锂离子电池的研制

冯联友，景慧娟，王 丫，高星亮

（安徽天时新能源科技有限公司，安徽 宣城 242000）

0 引 言

锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长以及绿色环保等优点而得到广泛应用。传统消费电子产品领域对电池功率性能要求不高，但在电动工具、电动自行车以及扫地机器人等领域对锂电池的功率放电有较高要求。面对快速增长的市场需求，功率型锂离子电池的研究成为一个重要方向，许多研究人员从新材料应用和结构设计等方面不断进行探索[1-6]。锂离子电池在大倍率放电时，内部极化大，电化学性能变差，同时受内阻影响电池整体温度升高，容易造成电池热失控，甚至影响电池的安全性能。本文采用镍钴锰酸锂材料制备2 000 mAh的18650型锂离子电池，研究导电剂配方、极耳数量以及电解液体系等内容，并对电池进行相关电性能及安全性能测试，总结相关因素对高功率锂电池的影响，为锂电行业设计和生产高功率电池提供参考。

1 实验部分

1.1 电池制作

实验制作18650型2 000 mAh锂离子电池，正极配比为镍钴锰酸锂（NCM523）:导电剂（自制）:粘结剂（PVDF）=95:3:2，负极配比为石墨:导电剂(SP):分散剂(CMC):粘结剂(SBR)=93.5:2:2:2.5。将正负极原料按比例混合制浆，均匀涂布在14 μm铝箔(正极)和6 μm铜箔(负极)上，经烘烤、辊压以及分切后制成相应尺寸极片，与陶瓷隔膜（基膜10 μm，双面陶瓷层各2 μm）卷绕制成圆柱电芯，组装和烘烤后，注入电解液（自制），再经过封口、清洗、静置、化成以及分容等工序后制成单体电池。

1.2 导电剂对电极性能的影响

采用导电炭黑、碳纳米管以及石墨烯复合导电剂，考察不同配比对电池内阻和倍率放电性能的影响。

1.3 极耳数量对电池性能的影响

正极使用铝带，负极使用铜镍复合带，考察正、负极不同极耳数量对电池内阻和倍率放电温升的影响。

1.4 电解液对电池性能的影响

通过对比自制电解液和常规电解液，考察电解液对电池低温放电和倍率放电的影响。

1.5 电池性能测试

采用实验中获得的最优工艺制备单体电池，测试电池容量、高低温放电以及循环性能，并参照GB/T 31485-2015对电池进行相关安全性能测试[7]。

2 结果与讨论

2.1 导电剂对电极性能的影响

目前锂离子电池中常用的导电添加剂有SP、S-O、KS-6、KS-15、350G、乙炔黑（AB）、气相生长碳纤维（VGCF）以及碳纳米管（CNT）等。近年来，石墨烯（GR）的高电导率和优异的化学稳定性倍受关注。将导电炭黑、碳纳米管和石墨烯复合使用，可以优势互补，形成“点-线-面”充分接触的导电网络。实验设计不同导电剂配方，结果如表1所示。

表1 不同导电剂配比对电池性能的影响

从表1可知，在保持导电剂含量不变的情况下，随着复合导电剂各组份的变化，电芯内阻发生变化，2号方案电芯内阻最低，克容量发挥最高。这可能是因为导电剂与活性物质的“线-点”和“面-点”接触模式更充分，“长程”和“短程”导电模式搭配更合理。构建具有良好协同作用的导电网络，提高正极材料的电化学性能。

2.2 极耳数量对电极性能的影响

极耳是连接电池内外部能量传输的桥梁，对于卷绕结构的倍率锂离子电池，极片长宽比例大，单极耳内阻较大，充放电时极化严重。通过多极耳设计，可以降低内阻，减小极化，提高电池性能。实验正极使用铝带，负极使用铜镍复合带，考察极耳数量对电池性能的影响，结果如表2所示。

表2 极耳数量对电池性能的影响

从表2可知，正负极采用双极耳时内阻最小，表面温度最低。这是因为充放电首先在极耳附近区域进行，多极耳相当于多个小电池并联组成大电池，电池整体内阻会显著降低，同时电化学反应通过多个极耳进行，各极耳通过的电流密度变小，减小了极化，缓解单极耳情况下的剧烈反应，减少了热量，降低温升[8]。但对于圆柱电池采用多极耳会增加焊接难度，容易出现虚焊，不良率上升，同时也会降低电池的额定容量。

2.3 电解液的选择

实验自制电解液配置为碳酸乙烯酯（EC）:碳酸甲乙酯（EMC）:碳酸二甲酯（DMC）=1:1:1（体积比），1.0mol/L六氟磷酸锂（LiPF6）+0.1mol/L双氟代磺酰亚胺锂（LiFSI），再加入2%的氟代碳酸乙烯酯（FEC）。并与常规电解液碳酸乙烯酯（EC）:碳酸甲乙酯（EMC）:碳酸二甲酯（DMC）=1:1:1（体积比），1.0mol/L六氟磷酸锂（LiPF6）加2%碳酸亚乙烯酯（VC）进行对比，结果如表3所示。

表3 不同电解液电池性能对比

从表3可知，自制电解液在电导率、低温以及倍率性能较普通电解液有较大提升。这主要因为双氟代磺酰亚胺锂在具有较高的电导率，降低电极表面膜阻抗，形成稳定的、导离子性较好的钝化膜[9]。氟代碳酸乙烯酯可以使负极SEI膜更加稳定，有利于锂离子的脱嵌，降低阻抗，同时可抑制电解液的分解[10]。

2.4 电池性能测试测

2.4.1 容量测试

电池1C放电容量2 088.4 mAh，5C和10C放电容量保持率为98.48%和95.72%。随着放电倍率的增大，电池容量呈下降趋势，但容量衰减并不大。电池不同倍率放电曲线如图1所示。

图1 不同倍率放电曲线

2.4.2 高低温放电测试

电池在55 ℃和-20 ℃下3C放电容量保持率为101.98%和77.69%（与25 ℃放电相比），显示出电池较好的高低温放电性能。电池在不同温度下放电曲线如图2所示。

图2 不同温度放电曲线

2.4.3 循环性能测试

电池在室温下1C、5C以及10C放电（1C充电）500次循环后容量保持率分别为92.19%、86.84%以及79.52%，表现出良好的倍率循环性能。电池在不同倍率放电的循环曲线如图3所示。

图3 不同倍率循环曲线

2.4.4 安全性能测试

参照GB/T 31485-2015对电池进行过充、短路、跌落、挤压、加热以及低气压等安全测试，评估电池的安全性能，在测试过程中检测电池表面温度的变化。实验条件及测试结果如表4所示。

表4 电池安全性能测试结果

3 结 论

通过SP、碳纳米管及石墨烯复合使用，采用双极耳设计、电解液引入双氟代磺酰亚胺锂以及氟代碳酸乙烯酯等手段设计优化，制备了容量2 000 mAh的三元/石墨体系18650电池，10C放电容量和500周循环容量保持率为95.72%和79.52%，-20 ℃时3C放电容量保持率为77.69%，电池通过过充、短路、跌落、挤压、加热以及低气压等安全测试，可满足电动工具、电动自行车以及扫地机器人等领域对高功率电池的要求。