锂离子电池油性阳极性能研究

廖小东，黄 菊，王荣贵，胡蕴成

(中国东方电气集团有限公司中央研究院新能源与发电技术研究所，四川成都611731)

锂离子电池油性阳极性能研究

廖小东，黄 菊，王荣贵，胡蕴成

(中国东方电气集团有限公司中央研究院新能源与发电技术研究所，四川成都611731)

制备了油性阳极和水性阳极两种不同的阳极，并研究了两者的低温、常温及高温循环、不同倍率、高低温、混合脉冲功率上的性能，从各个电性能的测试结果来看，油性阳极的倍率以及高低温特性均优于水性阳极，显示出良好的功率特性。但在高温循环上，水性阳极表现出较好的性能。

锂离子电池；油性；水性；阳极；功率

随着全球性的能源短缺、环境污染和气候变暖问题日益突出，积极推进能源革命，大力发展可再生能源，加快新能源推广应用，已成为各国各地区培育新的经济增长点和建设资源节约型、环境友好型社会的重大战略选择。因此，电动汽车作为未来替代燃油车的发展趋势，由于其相比与传统燃油车具有零排放、无污染，前景被广泛看好。动力电池是电动汽车的核心，电动汽车上应用最广泛的动力电池是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，且存在严重的酸污染和铅污染，正逐渐被其他电池所取代。正在发展的电池主要有钠硫电池、镉镍电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。和其它动力电池相比，锂离子动力电池以其长寿命和高比能量等优势广泛应用于电动汽车上[1]，商品化的锂离子动力电池中大多采用锂过渡金属氧化物/石墨体系。前人已对锂离子电池粘结剂进行过研究和总结[2-9]，从各个厂家的生产情况来看，石墨体系多采用水性体系配料，水性体系无法满足对车用锂离子动力电池的功率特性的要求，提高锂离子电池的功率特性对大规模推广电动汽车有极其重大的意义。

油性阳极是指粘结剂为PVDF，用NMP作为溶剂的阳极配方[7-9]，水性阳极是指粘结剂为SBR[2，5]，用去离子水作为溶剂的阳极配方。我们研究了油性阳极和水性阳极的配方，深入分析了两种配方对电池电性能的影响。

1 实验

1.1 主要材料和仪器

磷酸铁锂、石墨、NMP、导电炭黑、隔膜(Celgard2300)、PVDF(HSV900)、CMC、SBR、铜箔集流体10µm、铝箔集流体16µm、电解液、搅拌机、涂布机、BT2000电池测试仪。

1.2 实验过程

将磷酸铁锂、导电炭黑、PVDF按95%∶2%∶3%的质量比混合搅拌成浆料，并用涂布机将浆料涂在16µm的铝箔集流体上，并通过辊压制成阴极极片；将石墨、CMC、SBR按94.5%∶1.5%∶2.5%的质量比混合搅拌成浆料，并用涂布机将浆料涂在10µm的铜箔集流体上，并通过辊压制成水性阳极极片；将石墨、导电碳黑、PVDF按94.5%∶1.5%∶4%的质量比混合搅拌成浆料，并用涂布机将浆料涂在10µm的铜箔集流体上，并通过辊压制成油性阳极极片。将以上制好的极片按阴极、隔膜、阳极的顺序卷绕，注液，制成1.2 Ah的18650单体电池。

2 结果与讨论

2.1 性能比较

表1为油性阳极和水性阳极的质量比容量比较，从表1可见样品B油性阳极的质量比容量比样品A水性阳极低，仅为124 mAh/g，究其原因可能是PVDF为线状粘结剂，且PVDF中含有微孔，锂离子通过微孔嵌入石墨中，有一部分锂离子无法从微孔中脱出，导致了一部分不可逆的容量损失，从而引起质量比容量偏低。

表1 油性阳极与水性阳极的质量比容量发挥

2.2 低温充放电性能

图1为油性阳极与水性阳极0℃低温充放电性能对比。从图1可见，两种电池在经过0℃ 15个循环后，油性阳极的容量保持率依然在95%左右，而水性阳极的容量保持率下降到了90%。满充后拆解电池发现，油性阳极的阳极极片呈现石墨满充电后特有的金黄色，水性阳极的阳极极片则出现部分析锂现象。析锂是导致容量不可逆损失的根本原因，与循环曲线中水性容量下降的情况一致。

图1 油性阳极与水性阳极0℃15个循环曲线

图2 油性阳极与水性阳极在25与45℃下的循环曲线

2.3 循环性能

图2为油性和水性两种电池在25、45℃下的循环曲线，用4 A电流充电，6 A电流放电，充放电区间为2.5～3.65 V。从图2可见，常温25℃下，油性阳极的循环性能较水性的稍好，在循环800次的时候，油性阳极的容量保持率在95%，水性阳极的容量保持率在93%；45℃下，油性阳极和水性阳极的循环性能差异不大。

2.4 放电倍率性能

表2为油性和水性两种电池在不同放电电流下的倍率特性曲线以及温升变化，均用1电流充电，充放电电压区间为2.0～3.65 V。从放电比率中可看出，油性阳极的倍率特性在20的时候比水性高约3%。从温升上可看出，油性阳极在10、20的放电电流下温升比水性阳极低，显示出油性阳极很好的倍率特性。

表2 油性阳极与水性阳极的倍率特性曲线及温升变化

2.5 高低温性能

表3 油性阳极与水性阳极在不同温度下的放电特性 %

2.6 混合脉冲功率特性(HPPC)

图3为两种电池的混合脉冲功率特性，混合脉冲功率特性主要是用来评价动力电池的功率特性，一般取50%下的功率值作参考。从图3可见，油性阳极在50%下的比功率约1 900 W/kg，水性阳极在50%下比功率约为1 600 W/kg，油性比水性高出了约300 W/kg，显示出油性阳极良好的功率特性。

图3 油性阳极与水性阳极的HPPC曲线

3 结论

我们通过两种不同的阳极配方，油性阳极和水性阳极并对比了两者的质量比容量发挥、低温、常温及高温循环、倍率、高低温、混合脉冲功率上的性能，从各个电性能的测试结果来看，油性阳极的倍率、高低温特性、混合脉冲功率均优于水性阳极，常温、高温循环均跟水性阳极差不多，显示出良好的功率特性，质量比容量比水性阳极特性差。究其原因为，SBR与活性物质的连接方式为点状连接，SBR本身不传导离子，向石墨层间的扩散受到较大阻碍，尤其在低温和大电流充电的过程，阻力尤其明显，其结果是阳极析锂；PVDF与活性物质的连接方式为线状连接，PVDF含微孔，可传导离子，给锂离子传输提供了更多通道，使锂离子能顺利的向石墨层间扩散，低温和大电流充电性能好，但由于微孔的原因导致一部分锂离子放电时无法从微孔中脱出，产生了不可逆容量损失，导致质量比容量发挥偏低。

我们将在保持油性阳极良好倍率特性的同时，改善油性阳极的质量比容量发挥。

[1]刘春娜.电动汽车电池应用与展望[J].电源技术，2011，35(1)：12-14.

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Performance study of oil-based anode for lithium ion battery

LIAO Xiao-dong,HUANG Ju,WANG Rong-gui,HU Yun-cheng

Two different anodes,oil-based and water-based anodes,were made.The cycle performance at low temperature, normal temperature, high temperature and HPPC were investigated. The results show the rate performance and properties at high and low temperatures of the oil-based anode are better than the performance of the water-based anode,showing good power performance.The water-based anode shows better performance when cycling at high temperature.

lithium ion battery;oil-based;water-based;anode;power

TM 911

A

1002-087 X(2015)04-0729-03

2014-09-01

廖小东（1982—），男，四川省人，硕士生，主要研究方向为储能电站。