王云河，魏冰歆

鋰氟化碳電池電極參數(shù)設(shè)計(jì)與電性能研究

王云河1，魏冰歆2

（1. 海軍裝備駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

高比能兼具功率密度的電池在特殊國(guó)防軍用領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用價(jià)值。鋰氟化碳電池作為目前比能量最高的一種鋰/固體正極電池，具有在水中兵器電源中進(jìn)一步發(fā)展的潛力。本文采用不同電極參數(shù)組裝的鋰/氟化碳軟包電池，對(duì)其倍率放電性能進(jìn)行試驗(yàn)并分析，最后得出不同電極參數(shù)對(duì)電池性能的影響。

鋰原電池 正極材料 氟化碳 面密度

0 引言

鋰原電池在我國(guó)遠(yuǎn)程水下對(duì)抗類裝備上多有應(yīng)用，如航程循環(huán)水雷、誘餌雷、布雷系統(tǒng)等。對(duì)于水中兵器來(lái)說(shuō)，電源系統(tǒng)應(yīng)滿足體積小、重量輕、質(zhì)量及體積能量密度高、使用溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等需求。同時(shí)，對(duì)于需要維護(hù)簡(jiǎn)單、貯存壽命長(zhǎng)的軍用環(huán)境來(lái)說(shuō)，鋰原電池更具優(yōu)勢(shì)[1-3]。

鋰/氟化碳(Li/CF)電池是一種以金屬鋰為負(fù)極，氟化碳為正極的一次電池。與其他常用的鋰原電池，如鋰/二氧化錳(Li/MnO2)電池、鋰/二氧化硫(Li/SO2)電池、鋰/亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池相比，鋰/氟化碳電池具有能量密度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)[4,5]。其中，當(dāng)CF中=1 時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋰/氟化碳電池理論比能量約為2180 Wh/kg，在固體正極材料中最高[6]。

本文通過(guò)對(duì)氟化碳軟包電池開(kāi)展電極參數(shù)設(shè)計(jì)及電性能研究，對(duì)不同電極面密度下的電池放電倍率等性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。得出了正極面密度為5 mg/cm2時(shí)，鋰氟化碳軟包電芯具有較高體積能量密度等結(jié)論。

1 試驗(yàn)方案

1.1 電池的制備

采用氟化碳作為正極材料、鋰帶作為負(fù)極材料，正極材料配方為質(zhì)量比90（CF）:5（Super-P）:5（PVDF），負(fù)極按照理論所需過(guò)量10%設(shè)計(jì)，正極集流體為12 μm涂碳鋁箔，負(fù)極集流體為8μm銅網(wǎng)，隔膜為Clgarde商用隔膜，電解液體系為PC+DME+LiBF4。

圖1 氟化碳軟包電芯圖

1.2 電極參數(shù)的設(shè)計(jì)

軟包電芯正極片采用固定的壓實(shí)密度，該壓實(shí)密度經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選。正極涂布單面面密度設(shè)計(jì)為3.0、5.0、7.0及9.0 mg/cm2，電池額定容量均統(tǒng)一設(shè)計(jì)為20Ah。四種電芯按照電極面密度從小到大依次命名為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)電池，表1為電池正極片設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 電池正極片設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 表征及測(cè)試方法

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI/Quanta 250)觀察氟化碳粉體的微觀形貌。使用武漢藍(lán)電CT3001B電池測(cè)試儀(5 V-100 A)及上海龍躍高低溫測(cè)試柜在25 ℃進(jìn)行不同倍率的放電測(cè)試。其中倍率放電性能參數(shù)設(shè)置為0.5 C，1 C，3 C，放電截止電壓為1.75 V。軟包電芯放電前靜置12 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體表征

對(duì)購(gòu)買所得的氟化碳形貌進(jìn)行SEM觀測(cè)，結(jié)果如圖2。由圖可知，通過(guò)高溫制備的氟化碳材料仍保持有石墨材料的層狀結(jié)構(gòu)。且氟化碳顆粒為不規(guī)則形狀，大小在10 μm左右。

圖2 氟化碳粉體SEM圖

2.2 電化學(xué)性能表征

圖3、4、5為4種不同面密度的軟包電芯放電曲線。在0.5C放電時(shí)，4種極片的放電中值電壓和克容量相近，其克容量分別為801.9 mAh/g 、789.9 mAh/g 、783.2 mAh/g 和779.2 mAh/g，克容量承遞減的趨勢(shì)。在1.5 C及3 C的放電倍率下，電芯容量的發(fā)揮隨著面密度的增大逐漸減小，1.5C倍率下分別為735.6 mAh/g、728.8 mAh/g、700.8 mAh/g和660.8 mAh/g，以及3C倍率下分別為691.2 mAh/g、594 mAh/g、557.7 mAh/g和579.4 mAh/g。在壓實(shí)密度一定的條件下，更小的面密度意味著更薄的極片厚度，有利于電子和離子的傳輸，其材料克容量也有更好的發(fā)揮。

圖3 四種不同面密度的軟包電芯在0.5C的放電曲線

圖4 四種不同面密度的軟包電芯在1.5C的放電曲線

然而對(duì)整體電芯來(lái)說(shuō)，體積比能量是更重要的指標(biāo)，圖6為4種電芯在不同倍率下的體積比能量。由圖可知，在不同倍率下，面密度為5 mg/cm2的極片體積比能量最大，面密度為3 mg/cm2的極片體積比能量最低，而面密度為7 mg/cm2和9 mg/cm2的極片體積比能量較為接近，無(wú)明顯優(yōu)劣差別。對(duì)于軟包電芯來(lái)說(shuō)，面密度的提高使集流體、隔膜等輔材的用量減少，然而過(guò)高的面密度會(huì)導(dǎo)致極片變厚集流體數(shù)量減少，阻礙電子傳輸，同時(shí)電解液滲透情況不佳時(shí)，離子傳輸也受到阻礙7?？紤]到氟化碳材料放電時(shí)導(dǎo)致的極片膨脹較大，將會(huì)加深對(duì)上述傳輸?shù)淖璧K[8]。本次試驗(yàn)中，以體積比能量作為依據(jù)，可知在面密度為5 mg/cm2時(shí)鋰/氟化碳軟包電芯性能最佳。

圖5 四種不同面密度的軟包電芯在3C的放電曲線

圖6 四種電芯在不同倍率下的體積比能量

3 結(jié)論及展望

氟化碳電池體積能量密度高、電壓平臺(tái)穩(wěn)定等多種優(yōu)點(diǎn)，在水中兵器領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚耐ㄟ^(guò)研究鋰/氟化碳軟包電芯極片面密度與電性能的關(guān)系，得出了在一定條件下，極片面密度為5 mg/cm2的軟包電芯具有最高體積能量密度的結(jié)論，研究成果有助于優(yōu)化高比能鋰原電池參數(shù)設(shè)計(jì)，為后續(xù)研究鋰/氟化碳電池提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)未來(lái)水中兵器、單兵電源等軍工領(lǐng)域應(yīng)用提供可靠能源支持。

[1] 周德鑫, 任斌, 王晟. 國(guó)外水中裝備用鋰電池發(fā)展綜述[J]. 電源技術(shù), 2015(04): 206-208.

[2] 王宇軒, 黃雯, 李學(xué)海. 水下電源的研究進(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2011, 035(007): 858-861.

[3] 高新龍, 王宇軒, 李學(xué)海. 從裝備需求看魚(yú)雷動(dòng)力電池發(fā)展[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2016, 24(003):206-210.

[4] 劉春娜. 鋰氟化碳電池技術(shù)進(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2012(5): 624-625.

[5] 黃彥瑜. 鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)史[J]. 物理, 2007(08): 643-651.

[6] A Hamwi, K. Guérin, M. Dubois. Fluorinated materials for energy conversion[J]. Elsevier, 2005: 369-395.

[7] 左安昊, 方儒卿, 李哲. 鋰離子電池電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單體能量與功率的影響[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2021, 10(02): 470-482.

[8] 喬學(xué)榮, 任學(xué)穎. 鋰氟化碳電池內(nèi)應(yīng)力研究及電池殼設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù), 2017, 041(007): 1013-1016.

Research on Electrode Parameter Design and Electrical Performance of Li/CFx Battery

Wang Yunhe1, Wei Bingxin2

(1. Military Representative Wuhan Office, Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430064; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0008-0003

2021-07-21

王云河（1972-），男，高級(jí)工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: 281067795@qq.com