磷酸鐵鋰動(dòng)力電池電解液改善及過程參數(shù)優(yōu)化

時(shí)間:2020-06-02 15:08來源:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) 作者:綜合報(bào)道
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       現(xiàn)在鋰離子電池技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展方能滿足電動(dòng)車更高的應(yīng)用需求,下一代鋰離子電池必須具備大容量、高比能量、長(zhǎng)壽命、高安全性等特點(diǎn),這就要求鋰離子電池要向高能量密度方向發(fā)展。
 
       為了尋找高能量密度材料,主要是通過提高材料的壓實(shí)密度和容量來實(shí)現(xiàn)。磷酸鐵鋰動(dòng)力電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高、高溫穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),正是由于其良好的安全性和綜合電化學(xué)性能成為當(dāng)前眾多電池公司和汽車制造公司關(guān)注的重點(diǎn)。
 
       但磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小,容量提升空間有限,因此,若要進(jìn)一步提升磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的能量密度,提高材料的壓實(shí)密度是有效可行的方案之一。文章針對(duì)目前磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀,考察高壓實(shí)密度條件下不同電解液配方對(duì)電池性能(容量、極片狀態(tài)、電池厚度、內(nèi)阻)的影響及相應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化改善。
 
       一、實(shí)驗(yàn)過程
 
       1.1 電池制作
 
       以磷酸鐵鋰為正極材料、石墨為負(fù)極材料,與粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、溶劑按照一定比例混合成正負(fù)極漿料,然后分別均勻涂覆在鋁箔和銅箔表面上烘干,經(jīng)過碾壓、裁切、烘干,制成實(shí)驗(yàn)所需極片。極片經(jīng)卷繞、裝配、注液、預(yù)處理、封口等,制作出方形磷酸鐵鋰動(dòng)力電池,標(biāo)稱容量為20 Ah。
 
       1.2 預(yù)化成流程 
 
       預(yù)化成流程見表1和表2。
       1.3 測(cè)試設(shè)備
 
       所有充放電及電性能測(cè)試均采用Arbin BT2000電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。
 
       二、試驗(yàn)結(jié)果與討論
 
       本實(shí)驗(yàn)主要考察高壓實(shí)正負(fù)極條件下電解液及過程參數(shù)對(duì)電池性能的影響。當(dāng)極片壓實(shí)密度較高時(shí),極片不易浸潤(rùn),因此需要改善電解液成分,降低粘度以提高極片浸潤(rùn)性,同時(shí),優(yōu)化過程參數(shù)同樣有利于提高電池浸潤(rùn)性,保證電池較好的電性能。
 
       2.1 電解液改善
 
       為了提高電解液的浸潤(rùn)性,考慮從降低碳酸乙烯酯(EC)含量和碳酸丙烯酯(PC)含量來降低電解液粘度,電解液改善方案如表3所示。方案1、方案2和方案3為考察EC含量對(duì)電解液浸潤(rùn)性和電池電化學(xué)性能的影響,方案4為去掉PC后對(duì)電解液浸潤(rùn)性的改善作用。
       電池按照相同注液量注液后靜置12h,按照表1所示的預(yù)化成流程進(jìn)行首次充電,預(yù)化成流程結(jié)束后將電池抽真空封口。封口后的電池進(jìn)行化成,化成結(jié)束后電池處于滿電狀態(tài),在干燥間中將電池解剖,觀察負(fù)極片狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1,電池性能參數(shù)見表4。
圖1 不同電解液條件下極片狀態(tài)
 
       從圖中可以看出,四種電解液相比,方案1條件下的極片出現(xiàn)大量的黑斑,有明顯的死區(qū)和析鋰狀況。方案2相比于方案1析鋰狀況有所緩解,但仍存在少量的死區(qū)。方案3的極片不存在析鋰狀況,且僅有少量死區(qū)斑點(diǎn)存在。而方案4的極片狀態(tài)良好,極片光滑、平展,沒有死區(qū)及析鋰狀況。與表3中的電解液方案相結(jié)合可以看出,當(dāng)EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),極片出現(xiàn)明顯的異常狀況,EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降至35%,負(fù)極表面狀態(tài)即有明顯好轉(zhuǎn),EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至30%后,極片表面進(jìn)一步改善。在方案3的基礎(chǔ)上去掉粘度較高的PC后,極片狀態(tài)非常理想。
       四種電解液體系的電池首次放電容量、首次庫侖效率、內(nèi)阻和厚度數(shù)據(jù)見表4,從表中數(shù)據(jù)可以看出,由于1#電解液方案極片浸潤(rùn)性能較差,極片上存在大量的死區(qū)和析鋰,因此影響了電池的容量,實(shí)測(cè)電池容量?jī)H為19.15 Ah,與理論容量相比,相差較大。此外,也由于極片上存在的異物造成電池的首次庫侖效率較低,內(nèi)阻和厚度均較大。2#和3#電解液體系條件下電池的各項(xiàng)性能相差較小,極片狀態(tài)最好的4#電解液體系電池的容量最高、首次庫侖效率最高,內(nèi)阻較低,同時(shí)電池厚度也較薄。因此,從電解液的角度來看,4#電解液的浸潤(rùn)效果最好,說明降低溶劑中粘度較高的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于極片浸潤(rùn)性能的提升可以起到顯著的作用。
 
       2.2 過程參數(shù)優(yōu)化
 
       考慮小電流預(yù)化成對(duì)于高壓實(shí)負(fù)極有一定的電解液浸潤(rùn)改善作用,因此對(duì)比表1和表2兩種預(yù)化成流程對(duì)極片狀態(tài)的改善作用,電解液選用3#電解液體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。排氣后將電池充滿電進(jìn)行解剖觀察極片狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2,電池性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。                                                        
圖2 改變預(yù)化成條件下極片狀態(tài)
 
       從圖中可以明顯看出,增長(zhǎng)小電流排氣時(shí)間可以有效改善極片死區(qū)狀況,同時(shí)兩種預(yù)化成流程處理后的電池容量從20.32Ah提升至20.45Ah,首次庫侖效率由90.50%提高至90.74%,而內(nèi)阻則從2.8mΩ下降至2.78mΩ,厚度由24.33mm降低至24.30mm。由此可見,延長(zhǎng)小電流預(yù)化成時(shí)間是一種有效改善極片狀態(tài)的方法。
       三、結(jié)論
 
       極片壓實(shí)密度的提高可以有效提升電池的能量密度,但也由此帶來電解液浸潤(rùn)效果差等一系列問題,通過降低EC、PC含量可以有效改善極片狀態(tài),促進(jìn)電解液浸潤(rùn)。同時(shí)配合小電流長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)化成工藝,可以明顯提升電池的容量和首次庫侖效率,改善高能量密度鋰電池的電性能。
 
       參考:刁志中等《磷酸鐵鋰動(dòng)力電池電解液改善及過程參數(shù)優(yōu)化》
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 磷酸鐵鋰 動(dòng)力電池 電解液
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