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        化成工藝對高鎳三元鋰離子電池的性能影響

        2020-07-13 03:26:18馬夢月劉文鳳董紅玉楊書廷
        山東化工 2020年11期
        關(guān)鍵詞:圓柱型極片負(fù)極

        楊 濤,馬夢月,劉文鳳,,董紅玉,楊書廷*

        (1.河南鋰動電源有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南電池研究院有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000;3.河南師范大學(xué),河南 新鄉(xiāng) 453000)

        鋰離子電池以其高能量密度、低自放電率和高電壓,被廣泛用于現(xiàn)代通訊、空間技術(shù)、信息技術(shù)、國防等高科技領(lǐng)域,被譽(yù)為高效的綠色能源[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對鋰離子電池的要求也越來越高,如需具備較高的能量密度,較高的電壓,較長的循環(huán)壽命和較高的一致性等。高鎳三元材料因其具有較高的克容量,被用于制作高能量密度的鋰離子電池,在新能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

        在鋰離子電池的生產(chǎn)過程中,化成是必不可少的一道工序。高鎳三元材料在電池制作過程,材料易吸水,此外具有較高的電壓,在化成時殘留的水分易于電解液發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生氣體。電解液在高電壓下易分解產(chǎn)生氣體,而穩(wěn)定的SEI膜可以抑制其分解,提高電池的各種電性能[5-7]。因此對于高電壓鋰離子電池的生產(chǎn),其化成方法非常關(guān)鍵,直接影響電池的一致性及電性能,決定了電池的容量發(fā)揮及循環(huán)壽命[8-9]。

        本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用限容充電,探索此化成工藝對電池極片表面狀態(tài)及循環(huán)性能的影響,提供了一種效果好,較少副反應(yīng)發(fā)生的化成方法,以提高高鎳三元鋰離子電池的電性能和一致性。

        1 實驗

        1.1 鋰離子單體電池制作

        本實驗采用18650圓柱型鋰離子電池。其中,正極活性采用高鎳三元材料(NCM622),負(fù)極活性材料采用石墨(S350)。按照正/負(fù)極漿料的成分配比,將正極或負(fù)極活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑按照一定的比例分別進(jìn)行混合制漿,得到粘度適合,分散均勻的漿料。正/負(fù)極漿料經(jīng)過真空抽濾后,分別在涂布機(jī)上將其均勻涂布在箔材上(正極為鋁箔,負(fù)極為銅箔),再經(jīng)烘烤、輥壓、分條,焊接等工序后制備相應(yīng)尺寸的正/負(fù)極極片。極片經(jīng)烘烤后,正/負(fù)極極片、隔膜經(jīng)卷繞制成圓柱型電芯,然后經(jīng)過入殼、點焊、輥槽、蓋帽、烘烤、注液、封口、靜置、化成等工序后,制作出18650型圓柱型鋰離子單體電池。注液封口后的電池在化成前,將電池于高溫環(huán)境下擱置一定時間,加速電解液擴(kuò)散,提高電解液在電芯中的浸潤效果。圖1所示即為制成的18650圓柱型單體鋰離子電池。

        圖1 18650圓柱型單體鋰離子電池

        1.2 電性能測試

        化成測試:將注液后的電池在化成前電池于45℃高溫環(huán)境下擱置24 h,然后以小倍率預(yù)充電,充至標(biāo)稱容量的15%,后45℃高溫擱置24 h;限容恒流充電,容量達(dá)到標(biāo)稱容量的100%,擱置2 min,最后再進(jìn)行恒流放電至3.0 V,重復(fù)循環(huán)3次;作為對比,我們將注液后的電池在45℃烘箱中高溫擱置24 h;化成上柜,以0.02C先恒流充電至3.5 V,后以相同倍率恒流充電4.2 V,最后以0.5C的倍率恒流至放電至截止電壓3.0 V。具體化成工藝如表1中的工藝A和工藝B。

        循環(huán)測試:將分別將按照工藝A和工藝B化成后的電池,在25℃環(huán)境下,以1C的倍率,電壓范圍為4.2~3.0 V的條件下進(jìn)行循環(huán)測試,并對結(jié)果進(jìn)行整理與分析。

        表1 兩種化成工藝步驟

        2 結(jié)果與討論

        2.1 FESEM測試

        為了研究兩種不同化成工藝對電池化成結(jié)果的影響,對電池進(jìn)行拆解分析,拆解后的負(fù)極片于DMC中浸泡0.5 h,后于真空狀態(tài)下極片干燥,進(jìn)行FESEM測試,比較兩種化成工藝后負(fù)極極片表面的情況。

        圖2 (a)采用工藝A化成后的電池負(fù)極極片F(xiàn)ESEM圖;(b) 采用工藝B化成后的電池負(fù)極極片F(xiàn)ESEM圖

        如圖2所示,采用工藝A化成后的負(fù)極極片表面較粗糙,而采用工藝B化成后的電池,負(fù)極表面比較光滑,而且明顯顆粒感較少,說明采用工藝B化成,生成的SEI膜的均勻性、致密性均優(yōu)于工藝A,這應(yīng)該是由于采用了限容化成,減少化成充電時,鋰從正極遷出參加高壓下電解液分解的副反應(yīng)過程,從而減少鋰的過多損耗,避免鋰離子電池過早失效,從而進(jìn)一步提高鋰離子電池的循環(huán)性能。

        2.2 電性能測試

        將采用工藝A和B的電池在化成結(jié)束后,分別進(jìn)行分容、記錄電池容量數(shù)據(jù),然后電池上柜,25℃環(huán)境下,電壓范圍在3.0~4.2 V,以1C的倍率進(jìn)行循環(huán)性能測試:如圖3所示,可以看出:初期兩種工藝化成的電池放電比容量接近,均在160 mAh/g左右。采用工藝B化成的電池循環(huán)壽命優(yōu)于采用工藝A的電池,循環(huán)300周后,A和B組電池容量分別為154.6 mAh/g和132.4 mAh/g,其容量保持率分別為95.6%和82.5%,應(yīng)該是由于采用工藝B化成的電池活化更徹底、形成的SEI膜更穩(wěn)定。

        采用工藝B化成后的電池內(nèi)阻為18.0~20.5 mΩ,其平均值為19.53 mΩ,而采用工藝A化成后的電池內(nèi)阻為21.0~23.5 mΩ,其平均值為22.12 mΩ,兩種化成工藝后電池內(nèi)阻平均值相差約2.59 mΩ。經(jīng)單體電池測試,工藝B化成的電池容量分布一致性明顯優(yōu)于比工藝A的電池容量,如圖4所示。因此采用限容化成,能夠統(tǒng)一限制電池化成充電總?cè)萘?,可以提高電池化成一致性,從而提高電池分容容量的一致性?/p>

        圖3 分別采用工藝A和工藝B的電池循環(huán)性能對比

        圖4 (a)工藝A電池放電容量分布直方圖;(b)工藝A電池放電容量分布直方圖

        3 結(jié)論

        綜上所述,限容化成提供了的一種高鎳三元材料鋰離子電池的化成方法。(1)通過預(yù)充電高溫老化,并通過限容化成的方法,有利于負(fù)極表面形成更為致密、穩(wěn)定的SEI膜;(2)可以有效減少高壓下電解液的分解及鋰的過多損耗,從而提高電池的循環(huán)性能;(3)采用限容化成,可以通過改善充電容量的一致性從而提高電池分容容量的一致性,為后期電池串并聯(lián)組裝提供更為有利的條件。

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