三種軟包裝鋰離子電池性能

鋰離子電池是近十年來發(fā)展起來的一種新型可充電電池,其比能量高,無記憶效應(yīng),綠色環(huán)保,放電電壓是鎳鎘和鎳氫電池的3倍,因而一經(jīng)問世就受到了人們的廣泛注意,發(fā)展非常迅速.目前只有少數(shù)幾個國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,其中以日本的產(chǎn)業(yè)化工作做得最好.我國是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)最早的發(fā)展中國家.經(jīng)過近幾年的發(fā)展,特別是在國家相關(guān)政策導(dǎo)向的積極推動下,國內(nèi)鋰離子電池取得了突飛猛進(jìn)的成績,產(chǎn)品的各種性能取得了相當(dāng)大的進(jìn)步,鋰離子電池生產(chǎn)鏈日益完善,產(chǎn)業(yè)化程度日益提高,形成了與世界發(fā)達(dá)國家爭先的態(tài)勢.憑借豐富的自然資源和較低的勞動力成本,中國鋰離子電池行業(yè)在國際性競爭中具有明顯的優(yōu)勢。

鋰離子電池?zé)o疑是當(dāng)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(zhì)量比能量高,可充且無污染,具備了當(dāng)前電池工業(yè)發(fā)展的三大優(yōu)勢,被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”.鋰離子電池技術(shù)目前常見有兩種:以金屬為外殼的液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池.液態(tài)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(fù)雜,特別是成品率低使此電池產(chǎn)業(yè)化受到很大的限制[3].筆者首推軟包裝鋰離子電池,其特點(diǎn)是綜合液態(tài)鋰離子電池的基本電化學(xué)性能以及聚合物鋰離子電池的外形包裝上獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),并采用與液態(tài)鋰離子電池相似的液體電解液作為鋰離子在正負(fù)極之間傳輸?shù)慕橘|(zhì),而外形包裝上則采用多層塑料復(fù)合薄膜.軟包裝鋰離子電池的突出優(yōu)點(diǎn)是其制作過程簡單,成本低,成品率高,其目標(biāo)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(tài).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(shù)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(xué)性能以及與不銹鋼外殼鋰離子電池相互之間的區(qū)別等內(nèi)容,以驗(yàn)證軟包裝鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電池所采用的正極材料為鈷酸鋰,負(fù)極材料為人工球狀石墨.ＬｉＰＦ6/ＥＣ/ＤＥＣ/ＤＭＣ為電解液,其中ＬｉＰＦ6為導(dǎo)電鹽,ＥＣ(碳酸乙烯酯)/ＤＥＣ(碳酸二乙酯)/ＤＭＣ(碳酸二甲酯)為復(fù)合溶劑.電池的外包裝為復(fù)合鋁塑膜,其結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(biāo)稱容量為500ｍＡ?ｈ。

軟包裝鋰離子電池制作工藝過程中最為關(guān)鍵的技術(shù)是如何克服電池產(chǎn)生的氣漲問題.電池的氣漲問題一方面和電池密封是否良好有關(guān),另一方面和電池化成方式相關(guān).實(shí)驗(yàn)中采用改性聚丙稀材料作為正負(fù)極極耳與復(fù)合包裝膜之間的封口膠(一般金屬材料與鋁塑包裝膜內(nèi)層聚丙烯之間的粘結(jié)能力差),很好地解決了電池的密封問題.實(shí)驗(yàn)中采用預(yù)先充電方式以形成負(fù)極材料的保護(hù)膜,保護(hù)膜形成過程中將產(chǎn)生一部分氣體,然后真空除掉所產(chǎn)生的氣體,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(jié)果與討論

2.1 倍率放電性能

圖1是兩種鋰離子電池的倍率放電曲線圖,其中ｃ為電池容量,Ｖ為電壓,電池在測試開始前經(jīng)過1Ｃ(500ｍＡ)電流充電至4.2Ｖ,并在此電壓下繼續(xù)恒壓充電2ｈ,之后靜置2ｈ。

圖1ａ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(guān)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2Ｃ3個放電倍率下的電池容量與電壓之間關(guān)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%.對于同樣的電池尺寸,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(nèi)部結(jié)構(gòu)不同所造成的.其原因如下:軟包裝鋰離子電池內(nèi)部卷繞后電芯的最外層為正極極片,不銹鋼殼電池內(nèi)部卷繞后電芯的最外層為負(fù)極極片,在結(jié)構(gòu)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對比不銹鋼電池高.電池內(nèi)部電芯采取不同結(jié)構(gòu),這和外殼所采用材料相關(guān).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,如果和最外層為負(fù)極極片的內(nèi)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.如果不銹鋼殼電池采用最外層為正極極片的內(nèi)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(fù)極極片的內(nèi)部卷繞電芯.從結(jié)構(gòu)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(yōu)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(yàn)箱中進(jìn)行的.電池在測試開始前經(jīng)過1Ｃ電流充電至4.2Ｖ,并在此電壓下繼續(xù)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(dá)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(dá)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