提高钴酸锂电池比容量研究

刘为刚

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

提高钴酸锂电池比容量研究

刘为刚

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

介绍了用钴酸锂做正极材料,用石墨做负极材料的锂离子电池在制作过程中提高钴酸锂容量发挥所涉及的环境湿度和极片的水分以及合适的正负极搭配比例。

锂离子电池;正极材料;负极材料

自日本Sony公司于1990年首先推出以碳为负极的锂离子二次电池产品后,因具有工作电压高、容量大、自放电小、循环性能好、使用寿命长、重量轻、体积小等突出优点,目前,其应用已渗透到包括移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域。另外,国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储能等方面所需的大容量锂离子电池。

对锂离子电池而言,其主要构成材料包括电解液,隔膜,正负极材料等。一般来说,在锂离子电池电性能中,克容量是一项重要的性能指标。本文将对锂离子电池克容量研究进行综述和探讨。

1 正极材料的选择

正极材料在性质上一般应满足以下条件:(1)要求的充放电电位范围,与电解质溶液具有相容性; (2)温和的电极过程动力学;(3)平稳的充放电电压平台;(4)高度可逆性。其结构具有以下特点:(1)层状或隧道结构,以利于锂离子的脱嵌,且在锂离子脱嵌时无结构上的变化,以保证电极具有良好的可逆性能;(2)锂离子在其中的嵌入和脱出量大,电极有较高的容量,并且在锂离子脱嵌时,电极反应的自由能变化不大,以保证电池充放电电压平稳;(3)锂离子在其中应有较大的扩散系数,以使电池有良好的快速充放电性能。

本次研究选用某公司生产的美特MT300型钴酸锂作为电池正极材料,其相关物理性能、化学性能如表1、表2。

表1 MT300型钴酸锂物理性能

表2 MT300型钴酸锂化学性能

2 负极材料的选择

选择深圳贝特瑞公司生产的天然石墨818作为电池的负极材料,其相关性能如表3。

表3 负极材料相关性能

3 比容量的计算

比容量有两种,一种是重量比容量,即单位重量的电池或活性物质所能放出的电量,又称之为克容量,单位mAh/g,而且该名称比较通用;另一种是体积比容量,即单位体积的电池或活性物质所能放出的电量。电量可以以库仑计,也可以以mAh或Ah计或法拉第计。

质量比容量=容量/质量

对于电池,容量为mAh(毫安时),质量通常为g (克)。

同理:体积比容量=容量/体积

在具体实际操作过程中,都是计算克容量,且其计算方法为:按化成制度进行化成;敲钢珠后按分容制度进行分容;分容第2循环电池的放电容量除以电池的正极活性物质重量为活性物质的质量比(克)容量。

4 提高克容量的方法研究

整个全电池制作流程长,而且控制点很多,控制好关键点,这对提高电池克容量至关重要。

制作的063048型号钢壳电池,用于对某公司钴酸锂产品电性能的检测,整个制作的流程如图1所示。

以下是整个制作流程中的一些重要环节,是电池制作重要控制点。

4.1 正负极调浆

根据自己所选择的配方以及调浆工艺进行调浆,但一定要保证浆料的均匀性。

检测所采用的正极调浆重量配比如下:

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

负极调浆重量配比如下:

石墨∶乙炔黑∶水溶胶=95%∶1%∶4%,

纯水∶(石墨+乙炔黑+水溶胶)=1.05～1.07。

4.2 涂片

涂片的前提是要设计好电池的容量,然后根据电池容量以及正负极重量搭配进行正负极的涂片,并保证正负极涂片正反面厚度的一致性和精确性。

图1 电池制作基本流程

4.3 压片

正极的压实控制在3.6,负极的压实控制在1.4。

4.4 化成与分容制度

电池电性能检测化成与分容的工步设置如表4、表5。

表4 电池检测化成制度

表5 电池检测分容制度%

4.5 实验方法与结果

全电池的制作,包括正负极片的压片,搭配,极耳的焊接,卷绕,焊电池壳,注液,烘烤,都很关键,而且对电池的克容量的影响都很大,所以在制作过程中,一定要保证操作的准确性和过程控制的严格性。

本次提高克容量的研究,是在保证正负极调浆浆料的均匀性,以及涂片、制作的精确性条件下,对烘烤制度,注液环境以及正负极搭配比例的研究。

4.5.1 正负极搭配比例实验

一般在重量搭配中,负极必须过量设计,否则会造成电池的不安全性。本次实验的目的,是为了确定合适的正负极搭配比例。从负极过量2%到负极过量15%,每过量增加1%作为一组实验,每组实验均制作6个电池,取平均克容量值,表6是在其他控制条件相同,仅调整正负极搭配比例,并且选择过量百分比对应克容量发挥相近的实验数据对比组。

表6 负极过量搭配实验数据

从正负极搭配比例的实验中,可以得出,对于该公司制作钴酸锂电池的体系而言,最佳负极过量比选择在8%～11%,且克容量的发挥较其他过量比高。

4.5.2 烘烤制度的改进

原有的烘烤制度:在电池壳激光焊后,电池在烘箱内90℃烘烤10 h,仅进行一次抽真空至-0.1 MPa。

现有的烘烤制度:电池壳激光焊后,电池在烘烤箱内90℃烘烤,每隔2 h,对电池进行一次抽真空至-0.1 MPa,并注入纯度99.95%氮气至真空表-0.05 MPa。反复操作五次以上。

4.5.3 注液环境的改进

电池的注液,是在手套箱中进行的,而手套箱中的湿度控制,对电池的影响很大,原有手套箱相对湿度控制在10%以下,现有工艺:通过不断抽真空及注入纯度99.95%氮气,将手套箱相对湿度控制在2%以下。

4.5.4 实验数据对比

表7是对同一批电池,在固定正负极搭配中负极过量8%～11%,对烘烤、注液工艺的改进前后所对比的实验数据。

表7 烘烤、注液对比实验数据

1-1～1-4号电池,是在原有的烘烤制度,以及原有的手套箱环境下操作的,2-1～2-4号电池是现有烘烤制度但未更改手套箱环境下操作的结果,3 -1～3-4号电池是现有烘烤制度并且改进手套箱操作环境所得出的结果。

5 结 论

从结果可以看出,在电池制作过程中,选择合适的正负极的搭配比例对提高克容量的发挥有着重要的影响,另外,水分含量对电池的影响很大,直观的表现为克容量的影响,严格控制电池内水分,对电池电性能的提高具有很大的意义。

[1] 温兆银.锂离子二次电池的现状与展望[J].新材料产业, 2003,119:45-49.

[2] 雷圣辉,陈海清,刘军,等.锂电池正极材料钴酸锂的改性研究进展[J].湖南有色金属,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

刘为刚(1986-),男,助理工程师,主要从事冶金工程技术研发及有色金属材料的检验和测试工作。