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軟包裝鋰離子電池性能介紹

鉅大LARGE  |  點擊量:1245次  |  2020年11月11日  

鋰離子電池無疑是當今科技含量很高用途廣泛的新一代電池.它體積比能量和質量比能量高,可充且無污染,具備了當前電池工業發展的三大優勢,被人們稱之為最有前途的化學電源.鋰離子電池技術目前常見有兩種:以金屬為外殼的液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池.液態鋰離子電池外殼一般為鋼外殼或鋁外殼,可塑性不及聚合物鋰離子電池.而聚合物鋰離子電池的制造工藝復雜,特別是成品率低使此電池產業化受到很大的限制.軟包裝鋰離子電池的特點是綜合液態鋰離子電池的基本電化學性能以及聚合物鋰離子電池的外形包裝上獨特的優點,并采用與液態鋰離子電池相似的液體電解液作為鋰離子在正負極之間傳輸的介質,而外形包裝上則采用多層塑料復合薄膜.軟包裝鋰離子電池的突出優點是其制作過程簡單,成本低,成品率高,其目標是取代聚合物鋰離子電池的市場,并和不銹鋼殼鋰離子電池形成競爭之態.不銹鋼殼鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和軟包裝鋰離子電池三種不同技術的比較如表1所列.本文研究了軟包裝鋰離子電池的各種電化學性能以及與不銹鋼外殼鋰離子電池相互之間的差別等內容,以驗證軟包裝鋰離子電池產業化的可能性.


1、實驗


實驗電池所采用的正極材料為鈷酸鋰,負極材料為人工球狀石墨.LiPF6/EC/DEC/DMC為電解液,其中LiPF6為導電鹽,EC(碳酸乙烯酯)/DEC(碳酸二乙酯)/DMC(碳酸二甲酯)為復合溶劑.電池的外包裝為復合鋁塑膜,其結構為PET(聚酯)/膠/Al/膠/PP(聚丙烯)五層.電池極耳封口膠是改性的聚烯烴材料.電池制作工藝包括配料、混料、涂覆、碾壓、分切、點焊、卷繞、封口、化成、除氣和分容等工序.按照相似工藝條件同時制作了不銹鋼外殼的鋰離子電池.軟包裝鋰離子電池和不銹鋼外殼鋰離子電池的尺寸都為48mm×30mm×4.1mm.兩種電池的標稱容量為500mA•h.


軟包裝鋰離子電池制作工藝過程中最為關鍵的技術是如何克服電池出現的氣漲問題.電池的氣漲問題一方面和電池密封是否良好有關,另一方面和電池化成方式相關.實驗中采用改性聚丙稀材料作為正負極極耳與復合包裝膜之間的封口膠(一般金屬材料與鋁塑包裝膜內層聚丙烯之間的粘結能力差),很好地解決了電池的密封問題.實驗中采用:預先充電方式以形成負極材料的保護膜,保護膜形成過程中將出現一部分氣體,然后真空除掉所出現的氣體,通過這種方式消除了由于化成方式帶來的電池氣漲問題.


2、結果與討論


2.1倍率放電性能


給出了軟包裝鋰離子電池在0.5C(250mA)、1C(500mA)和2C(1000mA),3個放電倍率下電池容量與電壓的關系曲線,在2C電流放電下軟包裝鋰離子電池能夠放出0.5C下容量的91.7%,表明電池具有良好的大電流放電能力.圖1b給出的是不銹鋼外殼鋰離子電池在0.5C、1C和2C,3個放電倍率下的電池容量與電壓之間關系的曲線,同樣在2C電流放電下不銹鋼外殼鋰離子電池能夠放出0.5C下容量的92.2%.關于同樣的電池尺寸,軟包裝鋰離子電池的放電容量要比不銹鋼外殼鋰離子電池的放電容量高10%左右,這是由于兩種電池內部結構不同所造成的.其原因如下:軟包裝鋰離子電池內部卷繞后電芯的最外層為正極極片,不銹鋼殼電池內部卷繞后電芯的最外層為負極極片,在結構上,軟包裝鋰離子電池具有更多的正極材料敷料量,而鋰離子電池的放電容量是由正極決定的,因而軟包裝電池的容量相比較不銹鋼電池高.電池內部電芯采取不同結構,這和外殼所采用材料相關.軟包裝鋰離子電池外殼是采用中間層為Al箔隔離層的鋁塑包裝膜,假如和最外層為負極極片的內部卷繞電芯相接觸,在極低電位下(滿充電時約0.05mVvs.Li)可能帶來軟包裝的Al箔隔離層的溶解,造成電池失效.假如不銹鋼殼電池采用最外層為正極極片的內部卷繞電芯,則存在正極極片上的極耳(通常為Al帶材)與不銹鋼外殼焊接問題,因而通常采用最外層為負極極片的內部卷繞電芯.從結構上來說,軟包裝鋰離子電池在容量方面比不銹鋼外殼鋰離子電池有競爭優勢.


2.2高低溫性能


圖2是兩種鋰離子電池的高低溫放電曲線,測試過程是在高低溫試驗箱中進行的.電池在測試開始前經過1C電流充電至4.2V,并在此電壓下繼續恒壓充電2h,之后靜置2h.由圖可見,軟包裝鋰離子電池在高溫45℃、低溫-10℃的放電容量達到了電池在常溫25℃下容量的102.8%和87.8%,電池具有良好的高低溫性能.而不銹鋼外殼的鋰離子電池的高低溫性能,其在高溫45℃、低溫-10℃的放電容量達到了電池在常溫25℃下容量的103.2%和93.4%.由圖可知,軟包裝鋰離子電池在低溫下的放電容量保持率接近不銹鋼外殼鋰離子電池的低溫下的容量保持率.


2.3循環穩定性


圖3是兩種鋰離子電池的循環性能比較圖,其中n為循環次數,c為電池容量,電池充放電循環制度為1CmA充電至4.2V,并在此電壓下恒壓充電2h后靜置10min,然后1CmA放電至3.0V.電池經過300次循環以后,軟包裝鋰離子電池的放電容量保持在初始容量的90.6%左右,而不銹鋼殼鋰離子電池的放電容量則保持在初始容量的91.3%.由圖可知,以鋁塑復合膜包裝外殼取代常規金屬外殼所制作的鋰離子電池,在循環穩定性能方面是良好的.鋁塑復合膜的結構、材料以及極耳密封膠的性能,可完全隔離開電池內部和外界環境的相互反應,鋁塑復合膜可完成類似于金屬外殼所具有的良好密封功能.


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