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    技術(shù) | 高比能長(cháng)壽命鋰離子電池的研究

    論文品鑒  Paper traits

    技術(shù) | 高比能長(cháng)壽命鋰離子電池的研究

    來(lái)源:
    《電源技術(shù)》編輯部
    發(fā)布時(shí)間:
    2020/11/20
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    導讀

    本文采用先進(jìn)的經(jīng)過(guò)包覆處理的高密度NCA材料,并通過(guò)對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優(yōu)化設計,電池結構密封性的優(yōu)化,提高電池性能,制備了18650型高比能長(cháng)壽命鋰離子電池。

     

    鋰離子電池具有比能量高,使用壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn),目前已成為衛星用儲能電池的首選。商用的18650型鋰離子電池由于技術(shù)成熟、尺寸標準、價(jià)格低廉,其在低成本微衛星領(lǐng)域已得到一定的應用。
     
    隨著(zhù)鋰離子技術(shù)的發(fā)展,高比能電池材料的開(kāi)發(fā)向著(zhù)高電壓材料、高鎳三元、5 V高電壓材料等方向發(fā)展[1]。其中,高鎳NCA材料具有比容量高,結構穩定性好的優(yōu)點(diǎn),成為高比能長(cháng)壽命鋰離子電池開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)材料之一[2-4]。本文采用先進(jìn)的經(jīng)過(guò)包覆處理的高密度NCA材料,并通過(guò)對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優(yōu)化設計,電池結構密封性的優(yōu)化,提高電池性能,制備了18650型高比能長(cháng)壽命鋰離子電池。
     

    實(shí)    驗

     
    1.1 電池制作
     
    分別將正、負極活性物質(zhì)、導電劑和粘結劑以一定比例混合后,加入一定的溶劑攪拌均勻,正負極漿料分別涂覆到鋁箔、銅箔上,電極碾壓、分切后,烘干,卷繞,裝配,焊接,注液,封口,制備成18650圓柱型鋰離子電池。
     
    1.2 電池性能測試
     
    倍率性能測試:在室溫環(huán)境下,電池以0.2C恒流恒壓充電到4.2V,0.01 C截止,電池分別以0.2C、0.5C、1C放電到2.75V,記錄電池容量。
     
    加速循環(huán)壽命測試:在常溫下,電池在4.20~2.75 V電壓范圍,以0.5C/0.5 C 100%放電深度進(jìn)行充放電循環(huán),記錄電池容量。
     
    LEO軌道壽命測試:在常溫下,以0.5C恒流恒壓充電到4.2V,0.01 C截止,以0.5C 放電36min,然后電池以0.5 C恒流恒壓充電至4.20 V后轉0.5C電流放電,重復上述充放電循環(huán),記錄截止電壓。
     
    空間環(huán)境適應性:參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對電池進(jìn)行密封性、穩態(tài)加速、隨機振動(dòng)、正弦振蕩、沖擊及熱真空實(shí)驗。
     

    結果與討論

     

    2.1 正極材料的選擇
     
    選擇了三種不同型號的NCA材料制備18650實(shí)驗電池,進(jìn)行了電性能測試,具體實(shí)驗結果見(jiàn)表1。
     
     
    從表1的數據可以看出,三種高密度NCA材料中,綜合比容量發(fā)揮,循環(huán)壽命兩方面的因素,材料3#更適合作為高比能長(cháng)壽命鋰離子電池的正極材料。
     
    2.2 電化學(xué)參數的優(yōu)化
     
    2.2.1 電極面密度的優(yōu)化
     
    A、B兩種面密度電池進(jìn)行倍率與循環(huán)壽命的對比,優(yōu)化電池的面密度設計參數。A、B兩種電池的倍率測試結果見(jiàn)表2。A、B兩種電池的加速壽命測試曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。
     

     
    從表2倍率測試數據可以看出,A、B兩種面密度設計的電池在0.5C、1C倍率條件下沒(méi)有差異。從圖1的循環(huán)曲線(xiàn)看,在循環(huán)到600次時(shí),電池A的容量保持率為91.5%,電池B的容量保持率為89.5%,低面密度A具有更好的循環(huán)性能,但兩種面密度電池的循環(huán)衰降趨勢基本相同。目前低軌衛星的放電電流一般在1C以下,所以對于高比能電池,在保證電池性能的前提下,選擇高面密度的電極設計。
     
    2.2.2 隔膜的優(yōu)化
     
    對實(shí)驗電池進(jìn)行電性能測試,測試結果見(jiàn)表3。
     

     
    從表3T、P電池(T為陶瓷涂層隔膜電池,PPPPE復合隔膜電池)的測試數據可以看出,在倍率性能上,兩種隔膜的倍率性能基本相同,但陶瓷涂層隔膜具有更好的循環(huán)壽命,一方面陶瓷隔膜比普通的PP/PE隔膜具有更好浸潤性,另一方面陶瓷涂層可以提高隔膜高電壓下的抗氧化能力,可以有效提高電池的循環(huán)壽命。
     
    2.2.3 電解液的優(yōu)化
     
    對高比能長(cháng)壽命電池來(lái)說(shuō),電解液與正負極的匹配性,浸潤性與穩定性很大程度上決定了電池的性能。目前,電解液中常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰,通過(guò)對電解液溶劑配方與添加劑的調整,可以改善電極的浸潤性,SEI成膜的致密性與穩定性,從而提高電池的性能[5-7]。J.R.Dahn[8]討論了各種電解液添加劑對電池性能的影響,認為要提高電池的循環(huán)性能,必須要添加電解液添加劑,使正負極形成鈍化膜,降低電荷轉移電阻,降低副反應。
     
    對采用了不同溶劑配方與添加劑的電解液實(shí)驗電池進(jìn)行性能測試,其加速循環(huán)壽命測試結果見(jiàn)圖2。
     

     
    從加速循環(huán)壽命測試可知,03#電解液表現出更好的循環(huán)穩定性,加速循環(huán)壽命測試500次時(shí),容量保持率為93.6%。
     
    2.3 電性能及環(huán)境適應性研究
     
    2.3.1 容量及倍率
     
    通過(guò)正極材料的篩選與電化學(xué)參數的優(yōu)化,電池密封結構的優(yōu)化,制備了空間用容量為2.852Ah18650電池,電池的測試結果見(jiàn)表4。
     

     
    由表4電池的測試數據可知,電池比能量可以達到252Wh/kg,對電池進(jìn)行倍率性能測試,電池0.5C放電容量為2.832Ah,容量保持率為99.3%,1C放電容量為2.826Ah,容量保持率為99.1%。這證明電池的倍率性能良好。
     
    2.3.2  LEO循環(huán)壽命
     
    參照衛星LEO軌道循環(huán)制度,對電池進(jìn)行地面模擬LEO軌道壽命評估,圖3為電池的LEO軌道壽命循環(huán)曲線(xiàn)。從圖中可以看出,電池在進(jìn)行了1.0萬(wàn)次循環(huán)后,放電截止電壓仍然在3.7V以上,地面模擬壽命長(cháng)達2年,循環(huán)性能良好。
     

     
    2.3.3 空間環(huán)境適應性
     
    參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池進(jìn)行密封性測試,電池的漏率為1.4×1010~2.1×1010Pa•m3/s,漏氣率均小于1×107Pa•m3/s,檢測結果滿(mǎn)足要求。
     
    參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池進(jìn)行穩態(tài)加速、隨機振動(dòng)、正弦振蕩、沖擊及熱真空實(shí)驗。實(shí)驗過(guò)程中電池的電流及電壓均未發(fā)生突變,且實(shí)驗完成后電池無(wú)任何機械損傷,檢測結果滿(mǎn)足要求,本文不再展示放電曲線(xiàn)。
     
    參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池按照表5測試條件進(jìn)行熱真空實(shí)驗,圖4為電池在熱真空循環(huán)過(guò)程中首次低溫放電曲線(xiàn)與末次高溫充電曲線(xiàn)。
     

     
     
    如圖4所示電池在熱真空實(shí)驗過(guò)程中,充放電正常,實(shí)驗后,蓄電池無(wú)變形、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)漏液。滿(mǎn)足空間環(huán)境適應性要求。
     

    結    論

     

    通過(guò)對正極材料的選型優(yōu)化,電極面密度、隔膜、電解液等重要電化學(xué)參數的設計優(yōu)化,電池密封結構的優(yōu)化,制備了NCA體系2.852Ah 18650電池,電池比能量達到252 Wh/kg,1C倍率放電容量保持率為99.1%,地面模擬LEO軌道壽命長(cháng)達2年以上,并且通過(guò)了《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》的環(huán)境適應性實(shí)驗,可應用于微小衛星電源系統,滿(mǎn)足商業(yè)航天發(fā)展對航天器產(chǎn)品提出的輕小型、低功耗、高可靠的要求。
     
    參考文獻:
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    作者:趙珊珊,王煒娜,羅廣求,梁 達

    單位:天津空間電源科技有限公司

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