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              技術 | 高比能長壽命鋰離子電池的研究

              論文品鑒  Paper traits

              技術 | 高比能長壽命鋰離子電池的研究

              來源:
              《電源技術》編輯部
              發布時間:
              2020/11/20
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              導讀

              本文采用先進的經過包覆處理的高密度NCA材料,并通過對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優化設計,電池結構密封性的優化,提高電池性能,制備了18650型高比能長壽命鋰離子電池。

               

              鋰離子電池具有比能量高,使用壽命長的優點,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成熟、尺寸標準、價格低廉,其在低成本微衛星領域已得到一定的應用。
               
              隨著鋰離子技術的發展,高比能電池材料的開發向著高電壓材料、高鎳三元、5 V高電壓材料等方向發展[1]。其中,高鎳NCA材料具有比容量高,結構穩定性好的優點,成為高比能長壽命鋰離子電池開發的重點材料之一[2-4]。本文采用先進的經過包覆處理的高密度NCA材料,并通過對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優化設計,電池結構密封性的優化,提高電池性能,制備了18650型高比能長壽命鋰離子電池。
               

              實    驗

               
              1.1 電池制作
               
              分別將正、負極活性物質、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:在室溫環境下,電池以0.2C恒流恒壓充電到4.2V0.01 C截止,電池分別以0.2C0.5C1C放電到2.75V,記錄電池容量。
               
              加速循環壽命測試:在常溫下,電池在4.20~2.75 V電壓范圍,以0.5C/0.5 C 100%放電深度進行充放電循環,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4.2V0.01 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,記錄截止電壓。
               
              空間環境適應性:參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對電池進行密封性、穩態加速、隨機振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。
               

              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實驗電池,進行了電性能測試,具體實驗結果見表1
               
               
              從表1的數據可以看出,三種高密度NCA材料中,綜合比容量發揮,循環壽命兩方面的因素,材料3#更適合作為高比能長壽命鋰離子電池的正極材料。
               
              2.2 電化學參數的優化
               
              2.2.1 電極面密度的優化
               
              AB兩種面密度電池進行倍率與循環壽命的對比,優化電池的面密度設計參數。AB兩種電池的倍率測試結果見表2AB兩種電池的加速壽命測試曲線見圖1
               

               
              從表2倍率測試數據可以看出,AB兩種面密度設計的電池在0.5C1C倍率條件下沒有差異。從圖1的循環曲線看,在循環到600次時,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具有更好的循環性能,但兩種面密度電池的循環衰降趨勢基本相同。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 隔膜的優化
               
              對實驗電池進行電性能測試,測試結果見表3
               

               
              從表3TP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壽命。
               
              2.2.3 電解液的優化
               
              對高比能長壽命電池來說,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驗電池進行性能測試,其加速循環壽命測試結果見圖2
               

               
              從加速循環壽命測試可知,03#電解液表現出更好的循環穩定性,加速循環壽命測試500次時,容量保持率為93.6%
               
              2.3 電性能及環境適應性研究
               
              2.3.1 容量及倍率
               
              通過正極材料的篩選與電化學參數的優化,電池密封結構的優化,制備了空間用容量為2.852Ah18650電池,電池的測試結果見表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循環壽命
               
              參照衛星LEO軌道循環制度,對電池進行地面模擬LEO軌道壽命評估,圖3為電池的LEO軌道壽命循環曲線。從圖中可以看出,電池在進行了1.0萬次循環后,放電截止電壓仍然在3.7V以上,地面模擬壽命長達2年,循環性能良好。
               

               
              2.3.3 空間環境適應性
               
              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》對研制的電池進行穩態加速、隨機振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。實驗過程中電池的電流及電壓均未發生突變,且實驗完成后電池無任何機械損傷,檢測結果滿足要求,本文不再展示放電曲線。
               
              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測試條件進行熱真空實驗,圖4為電池在熱真空循環過程中首次低溫放電曲線與末次高溫充電曲線。
               

               
               
              如圖4所示電池在熱真空實驗過程中,充放電正常,實驗后,蓄電池無變形、無開裂、無漏液。滿足空間環境適應性要求。
               

              結    論

               

              通過對正極材料的選型優化,電極面密度、隔膜、電解液等重要電化學參數的設計優化,電池密封結構的優化,制備了NCA體系2.852Ah 18650電池,電池比能量達到252 Wh/kg1C倍率放電容量保持率為99.1%,地面模擬LEO軌道壽命長達2年以上,并且通過了《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》的環境適應性實驗,可應用于微小衛星電源系統,滿足商業航天發展對航天器產品提出的輕小型、低功耗、高可靠的要求。
               
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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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