現(xiàn)在鋰離子電池技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展方能滿足電動車更高的應(yīng)用需求，下一代鋰離子電池必須具備大容量、高比能量、長壽命、高安全性等特點，這就要求鋰離子電池要向高能量密度方向發(fā)展。

 

       為了尋找高能量密度材料，主要是通過提高材料的壓實密度和容量來實現(xiàn)。磷酸鐵鋰動力電池具有循環(huán)壽命長、安全性高、高溫穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)勢，正是由于其良好的安全性和綜合電化學(xué)性能成為當(dāng)前眾多電池公司和汽車制造公司關(guān)注的重點。

 

       但磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，容量提升空間有限，因此，若要進(jìn)一步提升磷酸鐵鋰動力電池的能量密度，提高材料的壓實密度是有效可行的方案之一。文章針對目前磷酸鐵鋰動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀，考察高壓實密度條件下不同電解液配方對電池性能(容量、極片狀態(tài)、電池厚度、內(nèi)阻)的影響及相應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化改善。

 

       一、實驗過程

 

       1.1 電池制作

 

       以磷酸鐵鋰為正極材料、石墨為負(fù)極材料，與粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、溶劑按照一定比例混合成正負(fù)極漿料，然后分別均勻涂覆在鋁箔和銅箔表面上烘干，經(jīng)過碾壓、裁切、烘干，制成實驗所需極片。極片經(jīng)卷繞、裝配、注液、預(yù)處理、封口等，制作出方形磷酸鐵鋰動力電池，標(biāo)稱容量為20 Ah。

 

       1.2 預(yù)化成流程 

 

       預(yù)化成流程見表1和表2。

       1.3 測試設(shè)備

 

       所有充放電及電性能測試均采用Arbin BT2000電池測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

 

       二、試驗結(jié)果與討論

 

       本實驗主要考察高壓實正負(fù)極條件下電解液及過程參數(shù)對電池性能的影響。當(dāng)極片壓實密度較高時，極片不易浸潤，因此需要改善電解液成分，降低粘度以提高極片浸潤性，同時，優(yōu)化過程參數(shù)同樣有利于提高電池浸潤性，保證電池較好的電性能。

 

       2.1 電解液改善

 

       為了提高電解液的浸潤性，考慮從降低碳酸乙烯酯(EC)含量和碳酸丙烯酯(PC)含量來降低電解液粘度，電解液改善方案如表3所示。方案1、方案2和方案3為考察EC含量對電解液浸潤性和電池電化學(xué)性能的影響，方案4為去掉PC后對電解液浸潤性的改善作用。

       電池按照相同注液量注液后靜置12h，按照表1所示的預(yù)化成流程進(jìn)行首次充電，預(yù)化成流程結(jié)束后將電池抽真空封口。封口后的電池進(jìn)行化成，化成結(jié)束后電池處于滿電狀態(tài)，在干燥間中將電池解剖，觀察負(fù)極片狀態(tài)，實驗結(jié)果見圖1，電池性能參數(shù)見表4。

圖1 不同電解液條件下極片狀態(tài)
 

       從圖中可以看出，四種電解液相比，方案1條件下的極片出現(xiàn)大量的黑斑，有明顯的死區(qū)和析鋰狀況。方案2相比于方案1析鋰狀況有所緩解，但仍存在少量的死區(qū)。方案3的極片不存在析鋰狀況，且僅有少量死區(qū)斑點存在。而方案4的極片狀態(tài)良好，極片光滑、平展，沒有死區(qū)及析鋰狀況。與表3中的電解液方案相結(jié)合可以看出，當(dāng)EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，極片出現(xiàn)明顯的異常狀況，EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至35%，負(fù)極表面狀態(tài)即有明顯好轉(zhuǎn)，EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至30%后，極片表面進(jìn)一步改善。在方案3的基礎(chǔ)上去掉粘度較高的PC后，極片狀態(tài)非常理想。

       四種電解液體系的電池首次放電容量、首次庫侖效率、內(nèi)阻和厚度數(shù)據(jù)見表4，從表中數(shù)據(jù)可以看出，由于1#電解液方案極片浸潤性能較差，極片上存在大量的死區(qū)和析鋰，因此影響了電池的容量，實測電池容量僅為19.15 Ah，與理論容量相比，相差較大。此外，也由于極片上存在的異物造成電池的首次庫侖效率較低，內(nèi)阻和厚度均較大。2#和3#電解液體系條件下電池的各項性能相差較小，極片狀態(tài)最好的4#電解液體系電池的容量最高、首次庫侖效率最高，內(nèi)阻較低，同時電池厚度也較薄。因此，從電解液的角度來看，4#電解液的浸潤效果最好，說明降低溶劑中粘度較高的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于極片浸潤性能的提升可以起到顯著的作用。

 

       2.2 過程參數(shù)優(yōu)化

 

       考慮小電流預(yù)化成對于高壓實負(fù)極有一定的電解液浸潤改善作用，因此對比表1和表2兩種預(yù)化成流程對極片狀態(tài)的改善作用，電解液選用3#電解液體系進(jìn)行實驗。排氣后將電池充滿電進(jìn)行解剖觀察極片狀態(tài)，實驗結(jié)果見圖2，電池性能測試數(shù)據(jù)見表5。                                                        

圖2 改變預(yù)化成條件下極片狀態(tài)

 

       從圖中可以明顯看出，增長小電流排氣時間可以有效改善極片死區(qū)狀況，同時兩種預(yù)化成流程處理后的電池容量從20.32Ah提升至20.45Ah，首次庫侖效率由90.50%提高至90.74%，而內(nèi)阻則從2.8mΩ下降至2.78mΩ，厚度由24.33mm降低至24.30mm。由此可見，延長小電流預(yù)化成時間是一種有效改善極片狀態(tài)的方法。

       三、結(jié)論

 

       極片壓實密度的提高可以有效提升電池的能量密度，但也由此帶來電解液浸潤效果差等一系列問題，通過降低EC、PC含量可以有效改善極片狀態(tài)，促進(jìn)電解液浸潤。同時配合小電流長時間的預(yù)化成工藝，可以明顯提升電池的容量和首次庫侖效率，改善高能量密度鋰電池的電性能。

 

       參考：刁志中等《磷酸鐵鋰動力電池電解液改善及過程參數(shù)優(yōu)化》