摘要：近年来航空、弹射系统以及以激光器为代表的高定向能器件等领域对超高功率化学电源表现出了迫切需求，国际上也已针对超高功率化学电源展开了研究。此类应用对配套的脉冲电源的高功率、高比能、长寿命的指标需求极高，一般化学电源难以满足其要求。锂离子电池具有电压高、比能量高、循环寿命长等优点，随着电池关键材料及电池制备工艺技术的快速发展，高功率型锂离子电池的比功率、比能量、循环寿命、安全性能逐步提高，被认为是航空、弹射系统、高定向能器件等装备的理想侯选电源之一。基于此，本文主要对高比功率锂离子电池设计与性能进行分析探讨。
关键词：高比功率；锂离子；电池设计；性能研究
前言
锂离子电池具有比能量大、比功率高、自放电小、循环特性好以及可快速充电、效率高、工作温度范围宽、无环境污染等优点，其性能远远优于镉镍电池和金属氢化物镍电池。在5C或更大倍率放电时，叠片式结构设计明显优于卷绕式极组内并的结构；软包装叠片电池通过合理设计可兼顾功率性能和比能量；优化电解液组分，可显著改善功率型电池大倍率放电的循环性能，并兼顾高低温放电能力。
1、实验
1.1电池的制备
正负极活性物质分别采用钴酸锂（LiCoO2）和中间相碳微球（MCMB），分别配合少量导电添加剂，以聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂，N-甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂，制成浆料，均匀涂覆在铝箔、铜箔上，然后干燥碾压制成正、负极片。
本文采用薄电极设计以降低电流密度，综合考虑可制造性，极片厚度在70μm左右。考虑集流体的导电和导热性，选择20μm铝箔和10μm铜箔作为正、负集流体。为降低电极的电阻率，构建良好的导电网络，在正、负极片中混合应用了形貌结构不同、导电机理也不同的多种导电剂。电池平均容量设计为4.5Ah，对比了卷绕和叠片两种电池结构，其中卷绕电池由两个相同的卷绕结构极组内部并联而成。电解液对比了A、B两种配方，隔膜为聚丙烯（PP）微孔膜，外壳采用铝塑膜。
1.2电池性能测试
采用杭可HEF-0520动力电池化成测试系统进行电池化成；采用BT2000-5V100A、BT2000-5V200A型Arbin充放电测试设备进行电池性能测试、直流内阻DCIR测试；采用BK-600型电压内阻测试仪进行交流内阻ACIR测试；采用Arbin测试设备温度测试模块T型热电偶测试电池温度。
2、结果与讨论
2.1电池结构的影响
（1）不同结构电池内阻特性对比
内阻特性是功率型电池的一项非常关键的性能参数，它直接与电池的放电产热、温升特性相关。本文分别测试了卷绕和叠片两种结构电池在50%荷电状态（简称SOC）下的交流内阻（ACIR）和直流内阻（DCIR）值，并根据电池编号一一对应进行对比分析，得到图1结果。DCIR的测试和计算方法如下：5C放电1s转1C放电1s，将5C放电瞬间初始电压减去1C放电1s后终止电压得到电压降，该电压降除以5C与1C的电流差等于DCIR值（注：直流内阻值与具体测试方法有关）。
图 1 不同结构电池 ACIR 和 DCIR 对比（50%SOC）
从图1可知，卷绕和叠片结构电池的ACIR平均值分别为4.18和2.15mΩ，分布都比较集中，DCIR平均值分别为8.63和4.26mΩ，约为ACIR值的2倍，且数值散布较ACIR大一些。卷绕电池的内阻远远大于叠片电池，这是因为叠片式电池中每一片极片都能单独集流，可大大减小电流密度，降低电池内阻。为了进一步表征功率型叠片电池的内阻特性，本文还分别测试了0%、10%、25%、50%、75%、100%SOC下该电池的DCIR、ACIR值，结果如图2。
图 2 叠片电池在不同 SOC 下的 ACIR 和 DCIR 曲线
从图中可知，ACIR值在不同荷电状态下差异很小，而DCIR值在低荷电态下（0%SOC）急剧增大，与电池在低荷电态下大倍率放电能力大大降低的实况相符。直流内阻值DCIR由于包含了更多的电池信息，能更准确地描述电池的功率特性，是更为可靠的表征方法。
（2）不同结构电池的倍率性能对比
在相同体系和电极设计下，两种结构电池1C小倍率放电性能差异较小，但5C和10C大倍率放电时，叠片电池明显优于卷绕电池，这与叠片电池具有更低的内阻有关。放电温升是表征电池倍率放电特性的一个重要参数，温度过高不仅会加剧电池内部各组分间的副反应，引起性能的急剧衰减，也将导致电池无法实际应用。例如在电动工具应用中，规定电池的表面温度不得超过70℃，达到该温度时，电路自动关断保护。因此，本文测试了功率性能优异的叠片电池在不同倍率放电时表面温度的变化。20C持续放电的最高温度为55.8℃，而40C持续放电的温度也低于70℃，说明叠片结构电池能展示出非常优异的倍率性能。
2.2电解液的影响
功率型电池电解液的设计需同时考虑粘度、电导率以及其温度特性。粘度和电导率涉及自由Li+的数量和迁移能力，低粘度、高导电率电解液可实现Li+的迅速补充与迁移，使放电过程得以顺利进行。温度特性则需综合考虑电池放电结束的温度和电池的工作温度范围。在大倍率放电过程中，极化产热和电阻产热是导致电池温升的主要原因，此时电解液的热稳定性是影响电池循环性能的关键因素。如果电池的工作温度低，还需要保证低温下电解液具有较低的粘度和较高的电导率。
以上电解液特性可通过溶剂组分、锂盐浓度以及功能型添加剂的优选来获得。本文基于叠片结构电池，对比了某现有功率型电解液A（LiPF6，DMC/EC/PC/EMC）和配方调整后的电解液B（LiPF6，EP/DEC/EC，含FEC、AN、LiTFSI等添加剂）。表1为两种电解液的粘度和电导率。
表1
在室温条件下，对采用A、B两种电解液的电池进行了1C充/20C放循环，A电解液电池循环至第5次时，放电平台降低，继续循环至第10次，1#电池容量保持率97.4%，但厚度膨胀达4%，内阻增大48%；2#电池容量急剧降低，内阻翻倍，明显鼓气，无法继续循环。B电解液两只电池经多次循环后内阻变化小，均无产气现象，循环50次后放电平台稍有降低，容量没有明显衰减，继续循环200次后容量保持率为91.4%。
对两种电池进行高低温测试，B电解液的高低温性能明显优于A电解液。A电解液电池在60℃高温放电时容量损失严重，而－5℃低温放电时极化非常大，放电初期电压降低至2.5V左右；B电解液电池低温放电初期的最低电压大于2.9V，且高温容量接近常温。
以上结果说明：（1）B电解液采用
EP和DEC取代低沸点的DMC，添加FEC、AN、LiTFSI等添加剂可弥补高极性EP对负成膜的影响，从而显著提高电解液的耐高温特性；（2）去掉高粘度的PC，采用低粘度的EP、DEC、EC三元体系，可以取代功率型电池最常用的低粘度DMC，使电解液具有低的锂离子迁移阻力；（3）适当提高锂盐浓度，电解液电导率虽有所降低，但在大倍率放电条件下，提供了大量快速迁移的锂离子，有利于大倍率放电。
3、结语
电池结构、电解液组成等是影响锂离子电池功率性能的重要因素。本文采用软包装电池对比了卷绕结构（两个极组并联）和Z型叠片结构电池的内阻及倍率性能，在相同体系和电极设计下，叠片结构在5C以上大倍率放电时的性能优势明显优于卷绕结构电池，可持续40C大倍率放电；通过优化电解液配方，显著提高了锂离子电池的功率特性，20C放电循环性能稳定，且兼顾了高低温性能，为解决常规功率型锂离子电池多次循环后鼓气、容量衰减严重等问题。
参考文献：
[1]LINDEND，REDDYTB.电池手册[M].3版.汪继强，译.北京：化学工业出版社，2007.
[2]张剑波，连芳，高学平，等.锂离子电池及材料发展前瞻—第16届国际锂电会议评述[J].中国科学，2012，42（8）：1252-1262.
论文作者:王亮1,乔歌歌2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：电池论文; 电解液论文; 内阻论文; 倍率论文; 功率论文; 卷绕论文; 性能论文; 《基层建设》2018年第31期论文;