高容量型锂离子电池的制备及其电化学性能研究

黄锋涛，李斌（陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安710300）

高容量型锂离子电池的制备及其电化学性能研究

黄锋涛，李斌
（陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安710300）

摘要：锰酸锂（LiMn2O4）圆柱形电池具有良好的循环性能、热稳定性、较高的容量以及相对低廉的价格，近年来成为电池研究的热点。采用刮刀涂布法制成电池，电池测试仪对电池的容量、寿命、电化学性能进行表征，电池的容量达到1520mAh，稳定倍率可以达到1C，寿命达到400次以上，针刺测试表明其安全性能良好。

关键词：锂离子电池；圆柱形；容量；长寿命

索尼公司[1]首次合成了锂离子二次电池并且商业化。由于锂离子电池[2]具有重量轻、电压高、安全性好和长寿命等优点，近年来得到快速发展。目前用于商业化电池的正极材料主要是钴酸锂[3]，但含Co元素的电池由于环境污染严重，价格昂贵[4]，因此迫切需要新的价格低廉、无污染的电池作为替代品。

锰酸锂[5]正极材料由于无污染、价格低廉，是一种较为理想的正极材料，圆柱形电池[6]在储能设备、备用电源、电子设备和移动电源等领域中具有广泛的应用价值。本文采用高效涂布法制备大容量圆柱形18650型锂离子电池，并探究其电化学性能和安全性等特点。

1　实验部分

1.1电池的制备和组装

正极以锰酸锂、导电剂和粘结剂PVDF为原料按照94∶3∶3的比例混合搅拌而成，然后涂布在15μm铝箔上；负极以石墨、导电剂和粘结剂CMC为原料按照92.5∶3.5∶4比例混合搅拌而成，涂布在10μm铜箔上。

采用刮刀式涂布，正极间歇涂布，负极连续涂布。正负极长度比为0.95，极片在100℃真空下连续烘烤10小时，压实密度为2.80g/cm3。正极极片裁片宽度为56mm,负极极片为57.5 mm，将正极极片、负极极片和隔膜卷绕成电芯。电芯连续在120℃下烘烤48小时，注液量为5.6g/个。封口老化24小时以上。

1.2电池的测试

电池容量和循环寿命测试采用新威尔电池测试仪(BTS- 5V3A)，电池的倍率测试采用高功率电池测试仪（BTS- 20V6A），电池安全性能采用拜特电池测试仪（BSS2000）。

2　结果与讨论

2.1电池容量与充放电曲线

图1　电池的充放电曲线Fig.1 The charge/discharge profiles of battery

图1是锰酸锂圆柱形锂离子电池的充放电曲线图。按照国标测得电池的容量为1520mAh。电池按照0.2C恒流恒压充电，起始电压为2.8V，截至电压为4.2V。从充电曲线看，电压平台为3.8V，电压较高，直到4.2V截止，整个平台占总充电容量的95%以上，说明充电效率很高。放电时平台在4.1V，直到3.8V截至，整个平台容量占总放电容量的96%以上，放电平台较平滑，放电效率很高，电池的功率较大，电池具有良好的充放电性能。

2.2不同倍率放电曲线

图2是a、b分别在0.2C和1C倍率下充放电曲线图。充电时，充电电压平台增加，从最初的3.8V和3.88V到最后的4.2V，电池的极化增加；放电时，从放电电压最初平台分别为4.1V和4.0V，最后降至3.8V和3.6V，两种倍率下的放电平台占总容量均为95%以上，1C放电容量占0.2C放电容量的97%以上，说明电池的放电效率极高，电池具有良好的抗极化能力。

图2　电池不同倍率的充放电曲线图Fig.2 The different ratio charge/discharge profiles of battery

2.3电池循环性能曲线

图3　电池循环寿命图Fig.3 The cyclic performance of battery

图3为电池的循环寿命图。为了节省时间，采用1C倍率恒流恒压方法测试电池的循环寿命。电池容量从最初的1450mAh，经过430次后，容量为1280mAh，保持初始容量的80%以上。电池在循环过程中由于机器等不可抗拒的影响，出现了稍微的波动，但总体趋势保持平稳下滑。由于1C倍率较0.2C倍率具有较大的极化作用，据此推测0.2C下的循环性能应该远远大于430次，所以电池具有很好的循环性能。

2.4电池安全性能

图4　电池的针刺效果图Fig.4 The needle of battery

图4为电池在4mm钢针下的针刺效果图，电池以0.2C恒流恒压充满电后，放置24h以上。然后放在电池安全测试仪下，利用4mm的钢针从侧面直接刺透，且保持60s以上，电池发出巨大的声音，同时产生大量的浓烟，电池盖帽的安全阀打开，但是盖帽没有弹出。由于针刺是最极端的安全性能测试方法，说明电池安全性能可靠。

3　结论

采用间歇涂布法成功制备出的高容量长寿命的圆柱形18650型锂离子电池，容量为1530mAh。不同倍率下的电池容量几乎无损失，电池循环430次后仍然保持容量的80%以上。安全测试表明，电池具有良好的安全性能。

参考文献

[1]顾秋月,辜晓芸,高文远.磷酸铁锂正极材料的研究进展[J].安徽化工，2011, 37（4）:13- 16.

[2]陈立泉.锂离子电池正极材料的研究进展[J].电池，2002，32 （6）: 6- 8.

[3] Ritchie A G. Recent developments and likely advanss in lithium rechargeable batteries[J]. Journal of Power Sources, 2004, 136（2）: 285- 289.

[4]王强，曾晖，姚宏旭.微/纳多级结构LiMn2O4微米球在水系锂离子电池中的应用[J].安徽化工，2013，39（3）: 16- 21.

[5] Li W, Dahn J R, Wainwright D S. Rechargeable lithium batteries with aqueous electrolytes [J]. Science, 1994, 264: 1115- 1118.

[6]王金良.动力锂离子电池发展及技术路线探讨[J].电池工业，2010，15（4）:234- 238.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.01.013

中图分类号：TM912.9

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2015）01- 0051- 02

收稿日期：2014- 08- 13

作者简介：黄锋涛（1986-），男，硕士研究生，助教，研究方向：新能源材料，13571848634，hft43@163.com。

Preparation and Electrochemical Performance of High Energy Li-ion Battery

HUANG Feng-tao，LI Bin
（Department of Chemical Engineering，Shanxi National Defense Industry Vocational Technology Institute，Xi’an 710302，China）

Abstract:Lithium manganate battery（LiMn2O4）, as a newtype of column Li- ion battery, is with good cycling performance, thermal stability, high discharge capacityand lowprice. Therefore, manyresearchers focus on the research ofthis type Lithium battery in recent years. The batteries were made by blade- coating method. The capacity, life, electrochemical performance of battery were characterized by battery tester. The capacity of battery is 1520 mAh and the power shows that battery can reach 1C or above. After 400 cycles, this column battery can deliver a reversible discharge capacity of 1087 mAh. Cutting through batterywith needle showes good saftyperformance.

Key words:Li- ion battery；cylinder；capacity；longlife