劉為剛

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

提高鈷酸鋰電池比容量研究

劉為剛

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

介紹了用鈷酸鋰做正極材料,用石墨做負(fù)極材料的鋰離子電池在制作過程中提高鈷酸鋰容量發(fā)揮所涉及的環(huán)境濕度和極片的水分以及合適的正負(fù)極搭配比例。

鋰離子電池;正極材料;負(fù)極材料

自日本Sony公司于1990年首先推出以碳為負(fù)極的鋰離子二次電池產(chǎn)品后,因具有工作電壓高、容量大、自放電小、循環(huán)性能好、使用壽命長、重量輕、體積小等突出優(yōu)點(diǎn),目前,其應(yīng)用已滲透到包括移動(dòng)電話、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等眾多民用及軍事領(lǐng)域。另外,國內(nèi)外也在競(jìng)相開發(fā)電動(dòng)汽車、航天和儲(chǔ)能等方面所需的大容量鋰離子電池。

對(duì)鋰離子電池而言,其主要構(gòu)成材料包括電解液,隔膜,正負(fù)極材料等。一般來說,在鋰離子電池電性能中,克容量是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。本文將對(duì)鋰離子電池克容量研究進(jìn)行綜述和探討。

1 正極材料的選擇

正極材料在性質(zhì)上一般應(yīng)滿足以下條件:(1)要求的充放電電位范圍,與電解質(zhì)溶液具有相容性; (2)溫和的電極過程動(dòng)力學(xué);(3)平穩(wěn)的充放電電壓平臺(tái);(4)高度可逆性。其結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):(1)層狀或隧道結(jié)構(gòu),以利于鋰離子的脫嵌,且在鋰離子脫嵌時(shí)無結(jié)構(gòu)上的變化,以保證電極具有良好的可逆性能;(2)鋰離子在其中的嵌入和脫出量大,電極有較高的容量,并且在鋰離子脫嵌時(shí),電極反應(yīng)的自由能變化不大,以保證電池充放電電壓平穩(wěn);(3)鋰離子在其中應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù),以使電池有良好的快速充放電性能。

本次研究選用某公司生產(chǎn)的美特MT300型鈷酸鋰作為電池正極材料,其相關(guān)物理性能、化學(xué)性能如表1、表2。

表1 MT300型鈷酸鋰物理性能

表2 MT300型鈷酸鋰化學(xué)性能

2 負(fù)極材料的選擇

選擇深圳貝特瑞公司生產(chǎn)的天然石墨818作為電池的負(fù)極材料,其相關(guān)性能如表3。

表3 負(fù)極材料相關(guān)性能

3 比容量的計(jì)算

比容量有兩種,一種是重量比容量,即單位重量的電池或活性物質(zhì)所能放出的電量,又稱之為克容量,單位mAh/g,而且該名稱比較通用;另一種是體積比容量,即單位體積的電池或活性物質(zhì)所能放出的電量。電量可以以庫侖計(jì),也可以以mAh或Ah計(jì)或法拉第計(jì)。

質(zhì)量比容量=容量/質(zhì)量

對(duì)于電池,容量為mAh(毫安時(shí)),質(zhì)量通常為g (克)。

同理:體積比容量=容量/體積

在具體實(shí)際操作過程中,都是計(jì)算克容量,且其計(jì)算方法為:按化成制度進(jìn)行化成;敲鋼珠后按分容制度進(jìn)行分容;分容第2循環(huán)電池的放電容量除以電池的正極活性物質(zhì)重量為活性物質(zhì)的質(zhì)量比(克)容量。

4 提高克容量的方法研究

整個(gè)全電池制作流程長,而且控制點(diǎn)很多,控制好關(guān)鍵點(diǎn),這對(duì)提高電池克容量至關(guān)重要。

制作的063048型號(hào)鋼殼電池,用于對(duì)某公司鈷酸鋰產(chǎn)品電性能的檢測(cè),整個(gè)制作的流程如圖1所示。

以下是整個(gè)制作流程中的一些重要環(huán)節(jié),是電池制作重要控制點(diǎn)。

4.1 正負(fù)極調(diào)漿

根據(jù)自己所選擇的配方以及調(diào)漿工藝進(jìn)行調(diào)漿,但一定要保證漿料的均勻性。

檢測(cè)所采用的正極調(diào)漿重量配比如下:

鈷酸鋰∶PVDF∶Super-P=94%∶3.5%∶2.5%, NMP∶(鈷酸鋰+PVDF+Super-P)=50%～51%。

負(fù)極調(diào)漿重量配比如下:

石墨∶乙炔黑∶水溶膠=95%∶1%∶4%,

純水∶(石墨+乙炔黑+水溶膠)=1.05～1.07。

4.2 涂片

涂片的前提是要設(shè)計(jì)好電池的容量,然后根據(jù)電池容量以及正負(fù)極重量搭配進(jìn)行正負(fù)極的涂片,并保證正負(fù)極涂片正反面厚度的一致性和精確性。

圖1 電池制作基本流程

4.3 壓片

正極的壓實(shí)控制在3.6,負(fù)極的壓實(shí)控制在1.4。

4.4 化成與分容制度

電池電性能檢測(cè)化成與分容的工步設(shè)置如表4、表5。

表4 電池檢測(cè)化成制度

表5 電池檢測(cè)分容制度%

4.5 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

全電池的制作,包括正負(fù)極片的壓片,搭配,極耳的焊接,卷繞,焊電池殼,注液,烘烤,都很關(guān)鍵,而且對(duì)電池的克容量的影響都很大,所以在制作過程中,一定要保證操作的準(zhǔn)確性和過程控制的嚴(yán)格性。

本次提高克容量的研究,是在保證正負(fù)極調(diào)漿漿料的均勻性,以及涂片、制作的精確性條件下,對(duì)烘烤制度,注液環(huán)境以及正負(fù)極搭配比例的研究。

4.5.1 正負(fù)極搭配比例實(shí)驗(yàn)

一般在重量搭配中,負(fù)極必須過量設(shè)計(jì),否則會(huì)造成電池的不安全性。本次實(shí)驗(yàn)的目的,是為了確定合適的正負(fù)極搭配比例。從負(fù)極過量2%到負(fù)極過量15%,每過量增加1%作為一組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)均制作6個(gè)電池,取平均克容量值,表6是在其他控制條件相同,僅調(diào)整正負(fù)極搭配比例,并且選擇過量百分比對(duì)應(yīng)克容量發(fā)揮相近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比組。

表6 負(fù)極過量搭配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從正負(fù)極搭配比例的實(shí)驗(yàn)中,可以得出,對(duì)于該公司制作鈷酸鋰電池的體系而言,最佳負(fù)極過量比選擇在8%～11%,且克容量的發(fā)揮較其他過量比高。

4.5.2 烘烤制度的改進(jìn)

原有的烘烤制度:在電池殼激光焊后,電池在烘箱內(nèi)90℃烘烤10 h,僅進(jìn)行一次抽真空至-0.1 MPa。

現(xiàn)有的烘烤制度:電池殼激光焊后,電池在烘烤箱內(nèi)90℃烘烤,每隔2 h,對(duì)電池進(jìn)行一次抽真空至-0.1 MPa,并注入純度99.95%氮?dú)庵琳婵毡?0.05 MPa。反復(fù)操作五次以上。

4.5.3 注液環(huán)境的改進(jìn)

電池的注液,是在手套箱中進(jìn)行的,而手套箱中的濕度控制,對(duì)電池的影響很大,原有手套箱相對(duì)濕度控制在10%以下,現(xiàn)有工藝:通過不斷抽真空及注入純度99.95%氮?dú)?將手套箱相對(duì)濕度控制在2%以下。

4.5.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表7是對(duì)同一批電池,在固定正負(fù)極搭配中負(fù)極過量8%～11%,對(duì)烘烤、注液工藝的改進(jìn)前后所對(duì)比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表7 烘烤、注液對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1-1～1-4號(hào)電池,是在原有的烘烤制度,以及原有的手套箱環(huán)境下操作的,2-1～2-4號(hào)電池是現(xiàn)有烘烤制度但未更改手套箱環(huán)境下操作的結(jié)果,3 -1～3-4號(hào)電池是現(xiàn)有烘烤制度并且改進(jìn)手套箱操作環(huán)境所得出的結(jié)果。

5 結(jié) 論

從結(jié)果可以看出,在電池制作過程中,選擇合適的正負(fù)極的搭配比例對(duì)提高克容量的發(fā)揮有著重要的影響,另外,水分含量對(duì)電池的影響很大,直觀的表現(xiàn)為克容量的影響,嚴(yán)格控制電池內(nèi)水分,對(duì)電池電性能的提高具有很大的意義。

[1] 溫兆銀.鋰離子二次電池的現(xiàn)狀與展望[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2003,119:45-49.

[2] 雷圣輝,陳海清,劉軍,等.鋰電池正極材料鈷酸鋰的改性研究進(jìn)展[J].湖南有色金屬,2009,25(9):37-42.

Abstract:This paper introduces the study of improving the specific capacity of lithium-ion battery which used cobalt lithium oxide as anode material and active carbon as cathode material,which related on ambient humidity and moisture in pole,as well as suitable percentage between positive pole and negative pole.

Key words:lithium ion battery;anode material;cathode material

Study on Improving the Capacity of LiCoO2Battery

LIU Wei-gang
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

TG146.2+63

A

1003-5540(2012)02-0051-04

2012-01-15

劉為剛(1986-),男,助理工程師,主要從事冶金工程技術(shù)研發(fā)及有色金屬材料的檢驗(yàn)和測(cè)試工作。