锂离子电池正极材料高温存储性能测试新方法研究

张阳 周孟姣 刘林佩 顾然

【摘 要】现阶段，锂离子电池是应用较为广泛一种电池，其具有体积小、重量轻、能量密度高、平台电压高、对环境污染小等特点，是目前研究的一个热点。本文主要通过软包电池测试实验和纽扣电池测试实验，对锂离子电池正极材料高温存储性能进行了测试研究。

【关键词】锂离子电池正极材料;高温存储性能测试;新方法

【中图分类号】TM911  【文献标识码】A

1.引言

在高温的状态下，锂离子电池在使用的过程中，其正负极材料与电解液会发生反应，会有气体产生，从而导致电池膨胀等现象发生。可见，锂离子电池正极材料的高温存储性能对其应用范围造成一定程度的制约。通常通过制作软包全电池来研究锂离子电池的高温存储特性，但该方法易受到负极材料的影响，且测试结果不稳定。而纽扣电池具有制作时间短、测试时间快、可靠性高等特点。因此要加大纽扣电池测试方法的研究和推广，从而实现正极材料高温存储性能的快速判断。

2.实验

2.1制备实验电池

2.1.1制备软包电池

首先要选取正极材料样品，用于制备正极极板。本次采用4种锂离子电池钴酸锂正极材料样品，并依次进行了标识，分别为A、B、C、D，并将其按照一定质量比（95：3：2）将四种样品与聚偏二氟乙烯、导电炭黑SP、一定量NMP等材料进行混合，从而获取均匀的浆料。此外，将浆料涂布在铝箔（16μm）上，待其干燥后，裁切、压延所得到的正极极板，为后续的试验做准备。

其次要选取负极相关材料，用于制备负极极板。本次采用人造石墨、导电炭黑SP、CMC、SBR溶液、去离子水等材料，相对应的质量为950g、13g、14g、46g、1200g，将这些材料混合均匀，最终完成负极浆料的调制。将浆料涂布在铜箔（10μm）上，待其干燥后，将得到的负极极板进行裁切、压延[1]。

最后，对正极和负极极板进行焊接极耳，并采用高温胶带来强化极耳的加固作用。另外，还要加入隔膜，对其进行卷绕、压实，之后由软包铝塑膜将其包裹;待其封口后，将电解液注入其中，之后进行静置、预充、二次封口和分容等一系列活动。最终，每种材料制作了30只电池，电池具有500mAh的额定容量，注液量为2.5g。

2.1.2制备纽扣电池

与软包电池制备一样，采用四种样品（A、B、C、D），并按照95：3：2的质量比，将四种样品与聚偏二氟乙烯、导电炭黑SP、一定量NMP等材料混合均匀，从而获取浆料;将其涂布在16μm的铝箔上，并进行120℃真空干燥，待干燥后对其进行裁切，最终获取钴酸锂极片。以此极片为正极，以金属锂为负极，其隔膜选用聚丙烯微孔膜，并加入0.3g的电解液，从而制取纽扣电池。最终，每种样品制作了20只电池。

2.2软包电池高温存储性能测试

此次高温存储性能测试采用的仪器是CT-4008电池测试柜，主要对电池高温存储前后的电池容量进行测试。相关测试如下：

存储前，需对电池进行一定的处理，即在常温下，将其进行1C恒流放电，直至其电压降至3.0V，然后进行恒流（1C）恒压充电，使其增至4.2V，截止电流为0.02C，进行两次循环操作，对最后一次放电容量进行记录，并对电池的内阻、厚度进行测试。

将电池放置于一定温度（70℃）的烘箱中静置一星期，之后对其进行高温存储测试。待完成存储测试后，需立即测试软包锂电池的电池厚度，之后将电池进行冷却处理，通常是在25℃下冷却四个小时后，对电池的内阻进行测试。

采用测厚仪、锂电池电压内阻测试仪来对软包锂电池高温存储前、后的电池厚度、电池内阻进行测试。软包锂电池的相应膨胀率和内阻增加率计算公式如下：

软包电池鼓胀率=（高温存储后电池厚度/高温存储前电池厚度-1）×100%

软包电池内阻增加率=（高温存储后电池内阻/高温存储前电池内阻-1）×100%[2]

2.3纽扣电池充电比容量的测试

将制作的锂电子纽扣电池进行电压预充，即以0.2C的电流进行预充，使得电池的电压达到4.5V;之后进行电流放电，即以0.2C的电流进行放电，待电压为3.0V时停止放电。将纽扣电池夹到充放电夹具上，将其放入高温（70℃）烘箱中静置半小时，然后以0.2C的电流进行恒流充电至4.5V电压，之后进行50个小时的恒压浮充。完成测试后，从测试软件中，获取恒压阶段电池浮充过程中的充电比容量数值。

3.测试结果分析

3.1纽扣电池冲比容量测试结果分析

通过测试软件，获取了纽扣电池的浮充比容量，如下表1所示，并获得了浮充时间与电流相关的曲线图，如下图1所示。

通过对表1、图1分析可知，A～D四种样品制作的纽扣电池的浮充测试结果呈现下降趋势，表明在相同条件下，四种样品对浮充测试耐受程度不同，其中样品D浮充特性最好、A的浮充特性最差。在浮充过程中，纽扣电池的比容量变高，究其原因为：此过程中正极材料锂离子出现多数脱落，晶格结构遭到破坏，并产生氧气，过渡金属元素也从正极溶出;在电解液移动的作用下，离子在负极获得电子并沉积，从而使得电池比容量逐步升高[3]。

3.2纽扣电池浮充比容量与软包高温存储鼓胀率的关系

由上图可知，四种样品（A、B、C、D）制作的纽扣电池浮充比容量与软包电池高温存储故障率呈一定的线性关系，相应的线性系数约为0.95。软包电池高温存储过程中，电池正极材料与电解液发生一定的反应，导致存储过程中晶格结构不稳定，易出现坍塌破裂现象，同时伴随着气体的产生;在电解液的环境中，正极材料新裸露的表面会与电解液继续发生反应，产生气体导致存储厚度鼓胀率呈现上升趋势，这与纽扣电池浮充原理呈现相对应关系[4]。

4.结束语

总而言之，锂电池电池正极材料高温存储性能测试是对电池性能的一种重要测试，通过对软包全电池和纽扣电池的实验分析和研究可知，可通过纽扣电池相关实验来对电池正极材料高温存储性能进行测试，且测试过程较为简单，测试效率高，是未来相关测试的趋势，因此要对其进行相关研究和推广，从而更好地发挥锂电池的作用。

【参考文献】

[1]于鹏，刘亚飞，陈彦彬，等.锂离子电池正极材料高温存储性能測试新方法研究[J].山东化工，2017，46（19）：93-94.

[2]钟盛文，杨海洋，张骞，等.锰基正极材料混合锂离子电池高低温性能研究[J].电源技术，2015，39（5）：893-895.

[3]佚名.锰酸锂电池正极材料晶体图像分析及性能测试[J].电源技术，2018，42（8）：30-32.

[4]何湘柱，胡燚，邓忠德，等.锂离子电池混合正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/LiFePO4[J].电子元件与材料，2017，36（3）：31-37.