正极压实密度对动力电池性能的影响

杜培培，张利波，樊彦良，于　瑜

(中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳471003)

正极压实密度对动力电池性能的影响

杜培培，张利波，樊彦良，于瑜

(中航锂电(洛阳)有限公司，河南洛阳471003)

以自制70 Ah电动汽车用锂离子动力电池为研究对象，重点考察了不同的正极压实密度对电池循环性能及倍率性能的影响。结果表明：正极压实密度为2.4 g/m3，动力电池有最好的循环寿命，首次放电比容量为135.1 mAh/g，1C放电倍率下循环1 655次后，容量保存率为87.8%；3C倍率放电容量是0.3C的92.4%。

压实密度；锂离子动力电池；循环性能；倍率性能

随着全球气候变暖及能源危机的日益严重，世界各国对新能源尤其是新能源汽车的重视程度与日俱增，电动汽车与混合电动汽车以完美的技术优势，展现出巨大的市场潜力；而其中作为动力系统的锂离子电池成为目前电动汽车发展的瓶颈所在，其循环寿命的长短已成为人们研究的热点之一。众所周知，锂离子电池的循环寿命，不仅与电池体系中正负极材料，隔膜材料的选取有关，更与电池的制作工艺过程有很大关系。本文侧重研究了不同压实密度下的正极材料对叠层锂离子电池循环性能及倍率充放电性能的影响，并确定了最佳的压实密度参数，以期为实际生产起到指导作用[1-7]。

1　实验

1.1电池制作

正极极片制备：将正极材料LiFePO4、导电剂、粘结剂按一定比例合成浆料，按照一定的面密度把浆料均匀涂敷在铝箔集流体上，再经干燥、碾压，分切等工序制成正极片，其中碾压工序中分别按照压实密度为2.1、2.2、2.3、2.4、2.5 g/m3进行辊压，得到五种极片分别命名为A、B、C、D、E。

计算公式：压实密度=涂布面密度/(辊压后极片厚度-铝箔厚度)

负极极片制备:负极人造石墨、导电炭、水性粘结剂按一定的比例合成浆料，按照一定的面密度均匀涂布于铜箔上，再经干燥、碾压，分切等工序制成正极片。

电池制作:以70 Ah动力电池为研究对象，将五种不同压实密度下的正极片分别与负极片用隔膜分隔后采用叠片工艺制作成电芯，经装配、电芯干燥、封装、注液、化成等工艺制作成五种实验动力电池 (分别命名为Cell-A,Cell-B,Cell-C, Cell-D,Cell-E)。具体的压实密度设计表如表1所示。

表1　不同压实密度设计表

1.2测试及仪器

将电池置于所购深圳新威尔电子有限公司 (简称新威) BTS-5V/50A-T-EV2.5V型号化成定容设备上进行化成，定容后，使用日本日置(HIOKI-3554)电池测试仪对电池分别进行电压、内阻测试；循环性能测试采用新威BTS-5V/100A-T-EV2.5 V充放电测试仪，测试条件如下；充放电电压范围为2.50～3.65 V，采用0.3C充电，1C放电进行循环性能测试；倍率充放电性能采用0.3C充电3C倍率放电。

2　结果与讨论

2.1电池定容后数据

表2为不同压实密度的正极片配同一压实密度负极片所做电池化成、定容后数据。从表中明显可看出，当压实密度为2.4 g/m3时，电池的单片比容量、质量比容量及首次充放电效率达到最大值；我们发现，随着压实密度的增加，单片电极的比容量、质量比容量和循环性能均呈现出先增大后减小的趋势，且内阻并未出现明显变化；分析原因，可能主要是由于压实密度的不同造成粒子之间的距离及间隙有明显差异，而颗粒之间的接触程度并未发生明显变化；压实密度过大或过小，均不利于离子的嵌入与脱出，从而增大电池的极化，影响电池的充放电效率。而电池的内阻并未发生明显变化，说明随着压实密度的增加，电池内阻会呈现一定的下降，但当达到一定值时，内阻变化不再明显。

表2　不同压实密度电池实验数据

2.2压实密度对电池循环性能的影响

图1为不同压实密度下电池1C放电倍率下的循环曲线图。从图中明显可以看出，不同的压实密度对电池的循环性能影响较大；五组测试电池的初始放电容量分别为73.01、72.45、72.63、73.33和76.28 Ah；经1 655次循环后，电池的容量分别下降至58.52、59.13、62.48、64.40 Ah及63.98 Ah，容量保持率分别为80.15%、81.61%、86.02%、87.83%及83.87%,；从图中可以看出，五组测试电池在前500次循环中，并未出现明显的循环性能差异；经500次循环后，不同压实密度下电池的容量逐渐出现差异。从图中可知，当压实密度较小时，材料的容量衰减高于压实密度相对较大时；且当压实密度为2.4 g/m3时，电池的容量衰减最小、容量保持率最高、循环性能较好。这可能是因为压实密度过小时，极片厚度较大，活性物质颗粒之间的接触不够充分，电解液的渗透在一定程度上将增大颗粒之间的距离，锂离子嵌入与脱出时路径变长；随着循环的进行，正极材料颗粒的分化将这种不良接触效应放大化，从而导致内部极化现象逐渐增大，电池内部温度逐渐增高，中值电压逐渐变小，当压实密度过大时，涂层过实，活性物质颗粒之间的距离及间隙较小，电解液渗透深度不足的负面影响超过颗粒之间的良好接触程度，在锂离子的充放电过程中，不利于离子的快速移动及电子的传递，且随着循环次数的增加，电解液在活性物质表面的氧化分解，使得涂层内部的未反应区域加大，电池极化增大，容量衰减加剧[8]。

图1　不同压实密度的电池在1C下的循环性能

2.3压实密度对电池内阻的影响

表3为不同压实密度下电池经不同循环次数后的内阻值。从表中可以看出，电池循环1 500次后，Cell-A、Cell-B、Cell-C、Cell-D、Cell-E五组电池的内阻分别从0.36、0.36、0.35、0.35、0.35 mΩ增加至0.67、0.71、0.53、0.46 mΩ及0.58 mΩ。实验数据充分表明，随着循环次数的增加，电池内阻均明显增大；电池内阻的变化在一定程度上反映电池的极化程度，可以明显看出，Cell-D组电池内阻变化较小，内阻增长率最低，仅为31.43%，表明电池极化较小，这与图1电池循环性能的实验结果一致。

表3　不同压实密度电池内阻测试结果

表4　不同压实密度电池0.3 C和3 C倍率下的放电容量

图2　不同压实密度的电池3C倍率放电曲线图

2.4压实密度对倍率性能的影响

表4为不同压实密度下五组实验电池在0.3C及3C下的放电容量。从实验数据可以看出，不同压实密度对电池倍率性能有一定的影响，当放电倍率从0.3C增至3C时，五组电池的容量差分别为8.3、7.1、6.4、6.1 Ah及6.3 Ah，倍率放电比例分别为88.7%、90.3%、91.5%、92.4%及91.9%。分析可知，当压实密度为2.4 g/m3时，电池容量差最小；而从图2中也可以看出，当达到3C倍率放电时，Cell-D组电池放电平台电压最高，放电平台较稳定，表明电池内阻极化较小，深度放电时，可逆容量的损失较少；因此，可推断压实密度太大或太小都影响动力电池的倍率性能，合适的压实密度既能保证粒子间的充分接触又不至于堵塞离子通道，同时有利于离子的快速移动及良好的电子导电性[9]，减小放电电压极化，增加放电平台电压[10]。

3　结论

适当的正极压实密度可降低动力电池的内阻，提高动力电池的循环寿命及倍率性能。本体系中正极压实密度为2.4 g/m3时，动力电池的放电比容量最高，电池极化最小，循环寿命及倍率性能最佳，0.3C放电倍率下首次放电比容量为135.1 mAh/g，1C放电倍率下循环1 500次后，电池内阻增长率为31.43%，循环1 655次后，容量保存率为87.8%；此外，3C倍率放电容量是0.3C的92.4%。

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Effect of positive press density on performance of power lithium batteries

DU Pei-pei,ZHANG Li-bo,FAN Yan-liang,YU Yu
(China Aviation Lithium Battery(Luoyang)Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471003,China)

The effects of various cathode compaction densities on cycling performance and rate capability of the power lithium ion batteries used in self-control 70 Ah electric vehicles were investigated.The results suggest that the cathode with a compaction density of 2.4 g/m3can deliver the best cycling lifetime.The first discharging specific capacity is as high as 135.1 mAh/g.The capacity retention ratio can be maintained at 87.8%after 1 655 at 1C.The discharging specific capacity of 3C is 92.4%as that of 0.3C.

press density;lithium-ion power battery;cycle performance;rate performance

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1918-02

2016-03-25

国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2012AA-110204)

杜培培(1984—)，女，河南省人，工程师，主要研究方向为锂离子动力电池生产工艺。