基于二元高钴材料的锂离子聚合物电池开发

佟 健,李碧平

(1.TCL金能电池有限公司,广东惠州 516005;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

基于二元高钴材料的锂离子聚合物电池开发

佟 健1,李碧平2

(1.TCL金能电池有限公司,广东惠州 516005;2.湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

对一种新型的二元高钴材料进行了物理、化学、形貌及晶体结构指标测试,并应用该材料作为正极进行了锂离子聚合物电池的开发,对使用该材料体系的锂离子聚合物电池进行了比容量、倍率性能、不同温度放电性能、高温贮存性能、循环性能以及安全性能等综合测试,测试的结果表明,这种二元高钴材料完全满足锂离子聚合物电池的要求。

二元高钴材料;锂离子聚合物电池;比容量;循环性能

在商品化的锂离子电池中,正极材料显著影响离子电池的循环、高温、容量等性能,目前比较普遍使用的正极材料包括钴酸锂、三元、尖晶石锰酸锂及二元NCA材料,对这些材料的研究改进及应用的研究仍然是材料及锂电池行业的发展方向[1～4],同时由于钴酸锂价格较高,三元及尖晶石锰酸锂的能量密度较低,所以高容量的二元材料一直是材料开发的热点,目前主要都集中在二元高镍材料NCA的开发上,在日本已经在较多的应用领域使用到了该材料,但是二元高钴材料的开发及应用相对比较少,由于二元高钴材料的价格较钴酸锂低且能量密度与钴酸锂相当,国内已有一些材料厂家持续在进行此类材料的开发并已经形成量产,目前国内已经开始在一些数码产品领域的锂离子电池上应用到此类二元高钴材料。

1 实 验

1.1 电池的参数设计

锂离子聚合物电池的设计参数见表1。

表1 电池的设计参数

1.2 电池制作及性能检测

按044261型号的生产工艺,将二元高钴材料作为正极活性物质应用到锂离子聚合物电池中,对二元高钴材料进行了物理及化学性能、扫描电镜及X射线衍射的测试;电池的初始性能、倍率放电、循环性能等测试在蓝电电池测试仪上进行;不同温度放电、高温贮存性能在恒温恒湿箱及蓝电电池测试仪上进行。

2 结果和讨论

2.1 材料的物理及化学指标测试

二元高钴材料的粒度,振实密度及比表面积测试结果见表2。

表2 材料的物理性能

从表2中材料的物理性能测试看,该材料具有较高的振实密度及较小的比表面积,具备很好的加工性能,满足锂离子聚合物电池正极材料的极片加工要求。

二元高钴材料的主元素含量测试结果见表3。

表3 材料的主元素含量

从表3中元素的含量来看,其中的Mn含量为常量,故此材料应存在含锰的二元或三元材料。

2.2 材料的扫描电镜测试

二元高钴材料的SEM测试如图1所示。

从图1的SEM图来看,材料中存在一次的单晶颗粒及二次团聚的颗粒,应当为一种混合的正极。

图1 材料的SEM图

2.3 材料的X射线衍射测试

二元高钴材料的XRD图谱如图2所示。

图2 材料的XRD图

从图2中的XRD图谱来看,此材料存在两种物质的特征衍射峰:一种是钴酸锂;一种是镍锰二元材料。

通过以上材料的测试及分析来看,这种二元高钴材料为一种钴酸锂与镍锰二元材料的的混合材料。

2.4 电池初始下线性能

采用这种材料作为正极活性材料制备的锂离子聚合物电池化成分容后的性能数据见表4。

表4 电池的初始性能

从表4中的初始性能数据来看,电池下线容量满足设计要求,厚度及内阻正常,电池具有较高的能量密度;此材料的克容量较钴酸锂要高4 mAh/g左右。

2.5 电池的循环性能

电池的循环性能数据见表5,1C充放循环容量保持率如图3所示。

表5 电池的循环性能

图3 电池的循环容量保持率曲线

从表5和图3中的300周容降数据来看,电池的容降在10.0%左右,电池的循环性能及一致性都较好,说明此材料具有很好的循环性能。

2.6 电池安全性能

参照UL1642的标准及国标 GBT18287-2000对电池进行了安全性能的测试,结果见表6。

表6 电池的安全性测试

从表6中的测试结果看,电池的整体安全性很好,满足所有的安全指标测试要求,仅电池的安全性而言,要好于钴酸锂材料,与三元材料比较接近。

2.7 倍率放电性能

电池不同倍率下的放电容量及曲线如图4所示。

从图4的曲线可以看出,电池的放电平台较钴酸锂略低一些,但是能够满足产品的实际使用要求。

图4 电池的倍率放电曲线

2.8 不同温度放电性能

电池不同温度下的放电容量及曲线如图5所示。

图5 电池的不同温度放电曲线

从图5的曲线看,该材料高温60℃下的容量发挥要好于常温,有着同三元材料相近的特性,低温性能较正常钴酸锂的要低一些,但是能满足实际使用要求。

由于-10℃测试时采用的是0.2C放电,其余温度下均为为0.5C放电,故-10℃下的放电平台反而高于0℃下的放电平台,这主要是由于放电电流不同所导致。

2.9 高温贮存性能

电池高温85℃4 h满电贮存的测试数据见表7。

从表7数据可以看出,此材料具有很好的高温性能,满电状态下85℃贮存4 h之后电池的厚度膨胀率远小于10.0%的要求,从容量恢复率来看,电池的容量恢复率也远高于85%的要求。

表7 电池的高温测试

3 结 论

这种新型的二元高钴材料不仅克容量高,同时还具有很好的循环性能,高温贮存性能及安全性能,倍率放电及不同温度放电也都能满足实际使用的要求,因此,这种材料完全可以在锂离子聚合物电池上应用。不仅能够降低电池的成本,而且能够改善和提高电池的安全性。

[1] Yongyao X,Naoki K,Masaki Y.Enhancing the elevated temperature performance of Li/LiMn2O4surface area[J].Power Source, 2000,90:135-138.

[2] Amarilla J M,Martin J L,Rojas R M.Electrochemical characteristics of cobalt-doped LiCoyMn2-yO4(0≤y≤0.66)spinels synthesized at low temperature from CoxMn3-xO4precursors[J].Solid State ionics,2000,127:73-81.

[3] 李小平,佟健.基于尖晶石锰酸锂混合材料的应用[J].电池, 2005,35(1):35-36.

[4] 李媛,高虹,赵春英.锂离子电池材料在超级电容器中的应用[J].电源技术,2009,33(6):505-508.

The Exploitation of Lithium-ion Polymer Battery Based on Dualistic Material of High Cobalt

TONGJian1,LI Bi-ping2
(1.TCL Hyperpower Batteries Inc,Huizhou516005,China;2.Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

In the paper a dualistic materl of high cobalt was tested,including physics,chemistry,morphology and crystal structure test.And the exploitation of lithium-ion polymer battery used the material as the anode.The performance of lithium-ion polymer battery used the material were tested such as specific capacity,rate discharge character,discharge capability in different temperature,full-charge storage capability for high temperature,cycle life and safety character.The test results show that the dualistic materl of high cobalt fully meets the requirements of lithium-ion polymer battery.

dualistic materl of high cobalt;lithium-ion polymer battery;specific capacity;cycle performance

TM912.9

A

1003-5540(2012)03-0050-03

佟健(1976-),男,工程师,主要从事电池材料及锂离子电池的开发研究工作。

2012-03-16