圆柱LiFePO4电池低温性能的研究

张小满*， 杨承昭， 华秉杨， 张新河

(迈科新能源有限公司，广东东莞523800)

圆柱LiFePO4电池低温性能的研究

张小满*， 杨承昭， 华秉杨， 张新河

(迈科新能源有限公司，广东东莞523800)

圆柱磷酸铁锂32650-4Ah电池有着优异的循环性能和倍率性能，但低温-40℃放电容量只有常温的40%；采用小粒径磷酸铁锂，复合石墨负极和低温电解液制作锂离子圆柱动力电池，低温性能有较大的改善，电池在-40℃下0.5放电容量能够达到常温0.5放电容量的75%以上，但循环性能却大大降低，1常温循环1 000次后，容量保持率约为80%。

LiFePO4；低温性能；锂离子电池；圆柱电池

磷酸铁锂电池是电动汽车产业未来发展的核心产品之一，相较其它动力电池，有着无可比拟的优势[1-3]。但磷酸铁锂材料低温性能一直是值得关注和改善的问题[4]，多数社会经验教训告诉我们任何动力电池如果在未来得到广泛发展和应用都必须考虑低温对电池性能带来的影响。本文从量产圆柱电池工艺角度，通过更改材料和配方，探索对LiFePO4低温性能的影响，考察整体性能是否能满足动力电池的要求。

1 圆柱电池制作

1.1 能量型圆柱32650-5Ah电池制作

正极由LiFePO4、导电剂和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按一定质量比例组成，先将PVDF溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，再将LiFePO4和导电剂分别加入混合液中，经过一定时间的混合形成正极浆料；负极由人造石墨、导电剂和粘结剂LA133按一定质量比组成，将上述正负极浆料分别涂覆在集流体铝箔和铜箔上，正极涂覆负载量为15.2 mg/cm2，负极涂覆负载量为6.74 mg/cm2，采用0.020 mm厚度的隔膜纸，功能型电解液的注液系数为5 g/Ah，按常规批量化生产工艺制作出圆柱32650-5Ah电池。

1.2 倍率型圆柱32650-4Ah电池制作

正极由LiFePO4、导电剂和粘结剂PVDF按一定质量比组成，先将PVDF溶解在NMP中，再将LiFePO4和导电剂分别加入混合液中，经过一定时间的混合形成正极浆料；负极由人造石墨、导电剂和粘结剂(SBR)组成，将人造石墨和导电剂、粘结剂分别加入混合母液中，经过一定时间的混合形成负极浆料，再将上述正负极浆料分别涂覆在集流体铝箔和铜箔上，正极涂覆负载量为12.3 mg/cm2，负极涂覆负载量为4.88 mg/cm2，采用0.020 mm厚度的隔膜纸，电解液使用赛维常规电解液，注液系数5 g/Ah，按常规批量化生产工艺制作出圆柱32650-4Ah电池。材料参数见下表1。

表1 圆柱电芯材料的物化性能

1.3 电池测试

磷酸铁锂电池常温充放电截止电压是3.65～2.3 V。低温充放电截止电压是3.65～1.8 V，之后对电池进行倍率、1循环等电化学性能测试。以上所有充放电实验均在电化学检测系统上完成。

2 结果与讨论

图1为公司量产制作的能量型26650电芯的低温性能曲线。当时在-20℃放电容量只有常温容量的45%左右。

图2为32650-4Ah电池低温性能表现，从上述电池制作工艺不难看出，32650-4Ah电池在涂覆面密度比32650-5Ah要低出许多，为了减小在放电过程中锂离子迁移的距离，同时还优化了电池其他参数，如正负极的压实、Cell balance等，-40℃0.5放电性能达到了26650电芯-20℃的水平，但这远远不能满足动力电池对于低温性能的要求。

图1 26650-3Ah圆柱电池低温性能

图2 32650-4Ah 0.5低温性能

尽管32650-4Ah电芯低温性能不理想，但其有着优异的倍率和循环性能。从图3和图4可见，32650-4Ah电芯15放电容量达到0.5放电容量的95%以上。2 C常温(25±3)℃下循环3 000周容量保持率仍在90%以上。

图3 32650-4Ah倍率性能曲线

图4 32650-4Ah2循环寿命

通过更换颗粒更小的正负极材料和低温功能型电解液，低温性能可以得到改善，即使提高涂布面密度，仍有良好的低温性能。图5为不同温度下的放电性能曲线，放电均按照0.5来测试，可见低温-20和-40℃都有很大的提高，-40℃环境下0.5放电容量是常温放电的75%～77%。

图5 不同温度放电性能

32650-5Ah电池配低温型功能电解液在常温下的循环寿命，如图6所示，采取1充放电循环1 000次后容量保持率在80%～85%，该电解液有较好的温度兼顾性，对比32650-4Ah常温状态下循环数据，如图4所示，还是有很大的距离，该款电解液后续还要做相应的改善，才能真正地得到广泛应用。

图6 32650-5Ah 1循环寿命

磷酸铁锂电池的低温性能有诸多影响因素，正负极材料的粒径、电解液的匹配、电池的静态阻抗、电池制造工艺等，单纯从更改电池设计工艺的角度也不能对磷酸铁锂电池的低温有太大改善，无论电池的倍率性能如何优越、静态阻抗如何的小，低温性能也不能起到明显的提高，远远不能满足未来动力电池的技术要求。

3 结论

常规倍率型32650-4 Ah电芯有着优异的循环性能和倍率性能，但低温-40℃放电容量只有常温的40%；采用小颗粒的磷酸铁锂正极和石墨负极，再匹配专门的低温电解液，可以有效提高低温性能，低温-40℃放电容量能达到常温的75%以上，但也大大降低了循环稳定性。电池材料发展迅速，已有多款材料低温能满足动力电池未来要求，但是在电解液匹配上暂时还没有得到一款相对完美的功能电解液，仅仅低温优秀是不够的，还要在综合实力方面表现优越，既能大批量应用，又能满足不同的温度区间，保持良好的循环寿命，还要考虑成本，这样磷酸铁锂电池才能在未来得到官方推广及应用。

参考文献：

[1]张国庆，张磊，饶中浩，等.电动汽车用磷酸铁锂动力电池的制作及性能测试[J].汽车安全与节能工业，2011，2(1)：68-71.

[2]SUN，RAJASEKHARA，GOODENOUGH，et al.Monodisperse porous LiFePO4microspheres for a high power Li-ion battery cathode[J].Journal of the American Chemical Society，2011，133(7)：2132-2135.

[3]WANG G X，LIU H，LIU J，et al.Mesoporous LiFePO4/C nanocomposite cathode materials for high power lithium ion batteries with superior performance[J].Advanced Materials，2010，22(44)：4944-4948.

[4]ZHANG S S，XU K，JOW,T R.An improved electrolyte for the LiFePO4cathode working in a wide temperature range[J].Journal of Power Sources，2006,159(1)：702-707.

Study on low temperature performance of cylinder LiFePO4battery

ZHANG Xiao-man*,YANG Cheng-zhao,HUA Bing-yang,ZHANG Xin-he

The cylinder LiFePO4batteries have excellent cycle and rate performance,but the discharge capacity at -40℃is less than 40%of the capacity at 25℃.The low temperature performance of cylinder lithium ion battery prepared through small particle LiFePO4, composite graphite anode and special low temperature electrolyte was improved greatly.The 0.5discharge capacity of the batteries at-40℃can reach above 75%of the capacity at room temperature.But the cycle performance decreases,as the capacity retention is about 80%after 1 000 cycles at room temperature and 1.

LiFePO4;low temperature performance;lithium ion battery;cylinder battery

TM 912.9

A

1002-087 X(2015)04-0723-03

2014-09-12

东莞市行业科技创新平台（东府办复[2010]278号）

张小满（1982—），男，湖北省人，本科，主要研究方向为圆柱动力电池。