高功率型锂离子电池的研制

黄锋涛

摘 要：采用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作为正极材料，石墨为负极材料，制成18650型/1300 mA·h功率型圆柱电池;该类电池5 C放电容量相当于1 C放电容量的99%，5 C循环测试900次后，容量剩余87%以上;经过针刺后，电池没有起火爆炸。

关 键 词：锂离子电池;18650;功率;安全性

中图分类号：TM 311 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1266-02

Preparation and Electrochemical

Performance of High Power Lithium Ion Battery

HUANG Feng-tao

（Department of Chemical Engineering，Shaanxi National Defense Industry Vocational Technology Institute，

Shaanxi Xian 710302，China）

Abstract： The 18650/1300 mA·h Li-ion batteries were prepared with LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 as positive electrode and graphite as negative electrode. The discharge capacity of the batteries at 5 C was about 99% of the capacity obtained at 1.0 C. The capacity was over 87% of the original capacity after 900 cycles. Furthermore， there was no exploding and fire when the batteries were short circuited by puncturing.

Key words： Lithium-ion battery;18650;Power;Safety

动力型电池要求具有高功率、长寿命和安全性等特性[1]。因此高功率型锂离子动力电池有望成为未来电动汽车和其他电动工具的首选电源[2]。正极材料是决定锂离子电池性能的最关键因素之一，锰酸锂电池寿命较短，钴酸锂电池价格昂贵及电压较低，磷酸铁锂电压较低，等都是制约其发展的因素[3-5]。

层状结构的镍钴锰三元材料[6]，由于放电容量高，电压较高，价格相对于钴酸锂较低，又环保，寿命较长而备受关注。18650型电池[7]是一种常见的电池，具有广泛的用途，特别是功率型的电池，应用于电动工具、电动玩具和电动自行车动力设备中。

本文研制出一种可以大功率长寿命的18650型锂离子电池，以其满足未来的电动市场。

1 实验部分

1.1 电池的制备和组装

正极部分以镍钴锰酸锂、导电剂和粘结剂PVDF为原料，按照质量比为92：5：3混合容于溶剂NMP搅拌而成，将浆料均匀涂布于0.015 mm厚度的铝箔上并烘干;负极以石墨、导电剂和粘结剂CMC为原料按照92.5：3：4.5混合搅拌速成，负极涂布于0.009 mm厚铜箔上并烘干。正极涂布面密度为18 mg/cm2，负极的单面涂布面密度为9.7 mg/cm2。正极压实密度为2.70 g/cm3，负极极片压实密度1.35 g/cm3正极极片裁片宽度为52 mm，负极极片为54 mm。正负极极片长度比为0.90，将负极片、隔膜（厚度为20 μm）、正极片和钢壳在一起制成电池。

1.2 电化学性能测试

电池容量和寿命测试采用新威尔电池测试仪（BTS-5V3A），电池的倍率测试利用高功率电池测试仪（BTS-20V6A），电池安全性能以拜特电池测试仪（BSS2000）来测试。

2 结果与讨论

2.1 电池容量与充放电曲线

图1为三元材料制成的电池曲线图，图中电池的额度容量为1 420 mA·h，电池的充电平台为3.5 V，平均电压平台为3.7 V，而且平台平缓，平台电压部分容量为1 350 mA·h，占总容量的95%，放电电压3.4V，平均电压平台为3 V，总平台容量为1 340 mA·h，中总总放电容量的95%以上，充放电效率为99%。电池曲线平台平缓，电压较高，电池具有很好的充放电效率。

图1 镍钴锰酸锂电池的充放电曲线图

Fig.1 The charge/discharge profiles of LiMn2O4 battery

2.2 电池不同倍率放电曲线

图2是镍钴锰酸锂18650功率型锂离子电池在不同倍率下的放电曲线图。图中abcd依次分别为电池在0.2 C、1 C、5 C和10 C下不同倍率的放电曲线图，其最初的电压平台由4.1 V逐渐降为3.40 V，在5 C倍率放电时，电池的电压平台开始显著下降，而已10 C时下降最多，此时平均电压平台仅为3.3 V左右，这时由于电池材料的强烈的极化所致，与所用的电解液和材料本身有关，但是电池的放电容量在5 C和1 C倍率下相差无几，5 C下的容量相对于1 C容量的98.8 %以上，容量几乎无损失。表1中，不同倍率测试的放電容量和效率，电池在1至5 C下工作时，均可保持充放电效率的97%以上，说明电池保持了良好的放电效率。

图2 电池的放电曲线图

Fig.2 The discharge profiles of battery

表1 锂离子电池不同倍率放电的容量

Table 1 Capacity of 18650 type Li-ion batteries discharged at different rates

2.3 循环性能曲线图

图3为电池的循环寿命图，电池在25度环境下测试而成，电池以采取5 C倍率测试，即1 C恒流恒压充满，搁置20 min，后5 C放电，再搁置20 min，依次来测试电池寿命。图中看到电池首次放电容量为1340 mA·h，电池容量以缓慢的速度衰减，经过900次连续充放电后，电池仍然保持首次容量的87%以上，即容量仍为1 208 mA·h以上。正极材料保持了完整的结构，锂离子可以自由的嵌入和脱出。表現出了良好的循环性能和均衡性。

图3 电池的循环曲线图

Fig.3 The cyclic performance of battery

2.4 电池安全性能图

图4是电池的针刺效果图，将电池以0.2 C倍率下恒流恒压充满电，搁置24 h后，将其放置在电池安全测试仪中，用4 mm的钢针从电池的侧面直刺透过去，然后保持60 s以上，但是电池的底部和头部盖帽部分无任何异动，盖帽未弹出，但盖帽里的安全阀打开。由于针刺是电池安全测试中最为极端的实验，说明电池安全。

图4 电池的针刺图

Fig.4 The needling test of battery

3 结 论

利用镍钴锰酸锂为正极和石墨负极成功制成18650型动力锂离子电池，电池容量达1 300 mA·h以上，不同倍率下具有很高的充放电效率，电池在5 C倍率下测试循环寿命为900次以上，而且可以保持1 C容量的98.0%以上，具有很高的动力特性。经过极端针刺测试，电池安全可靠。

参考文献：

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