高功率动力电池负极材料的研究

2016-04-05张火成郭玉彬王永武

电源技术 2016年6期

关键词：倍率负极充放电

张火成，郭玉彬，张娜，王永武

(天津力神电池股份有限公司，天津300384)

高功率动力电池负极材料的研究

张火成，郭玉彬，张娜，王永武

(天津力神电池股份有限公司，天津300384)

对锂离子动力电池负极用材料：中间相碳微球(MCMB)、软碳(SC)进行了对比研究。发现MCMB在高倍率放电性能上表现较好，而软碳材料在高倍率充电性能方面更加突出。为得到在高倍率充电、放电性能两方面都比较优越的负极材料，对MCMB和软碳进行了不同比例混掺的研究，结果表明：当MCMB与软碳的混掺比例达到5∶5时，电池的大倍率充放电性能表现较优越，能够满足功率型电池应用的需要。

锂离子电池；MCMB；软碳；混掺；倍率充放电

随着锂离子电池行业的发展和电动汽车技术的日益成熟，动力锂离子电池的应用越来越广泛，对其性能要求也随之提高，尤其是如何提高电动汽车用电池大倍率充放电性能成为了研究热点。

在已有的碳材料中，中间相碳微球(MCMB)是目前应用较广泛的材料之一[1]，石墨化中间相碳微球作为锂离子二次电池负极活性材料时，具有堆积密度大、体积比容量高、比表面积小、循环性能好、价格较低等优点；其缺点是大倍率充电性能比易石墨化碳材料(软碳)低[2]，且与磷酸铁锂(LiFePO4)正极活性材料搭配使用时，电池工作电压较平坦[3]，不利于电动汽车管理系统检测和管理。软碳作为锂离子二次电池负极活性材料，具有与电解液相容性好、大倍率充电性能优越等优点[4]；然而由于其比表面积大、不可逆容量较高、压实密度低等缺点，导致了大倍率放电性能低于MCMB。

本文对比了MCMB与软碳作为锂离子动力电池负极材料的优缺点，并且研究了两种材料不同比例的掺杂对电池性能的影响，确定了最优掺杂比例，改善了负极材料的大倍率充放电性能。

1 实验设计

本文采用LiFePO4作为正极活性物质，其与导电剂、粘结剂按照质量比94∶2∶4的配比混合均匀，按照目前工业上广泛采用的锂离子电池正极生产工艺进行匀浆、涂覆、碾压、分切、烘干，待装配。

负极采用MCMB与软碳(SC)混合材料作为负极活性物质，MCMB∶SC混掺比例分别10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10。负极材料与导电剂、粘结剂按照90∶5∶5混合均匀，以目前工业上广泛采用的锂离子电池负极生产工艺进行匀浆、涂覆、碾压、分切、烘干，待装配。

按照电池制作工艺，分别将烘干的正极片与负极片及星源25 μm隔膜进行装配，组装电池，待测试。

使用Arbin电池测试设备，对电池进行倍率充放电测试，测试条件为：电池充放电电压控制在2.0～3.65 V，电流1C= 7 Ah，无特殊说明测试温度为(25±2)℃。

2 实验数据与分析

2.1 放电倍率性能

从图1和表1中的数据可以看出，MCMB在1C～40C放电倍率性能均高于软碳。在30C开始MCMB放电百分比逐渐提高，温度的累积可能是导致这一现象的主要原因。电池在高倍率大电流放电过程中，累积的热量得不到及时的散发，造成电池升温，并且该电池采用的正极材料LiFePO4具有高温放电性能佳的特性，因此随着倍率的升高，反而会出现放电百分比升高。随着MCMB掺杂比例的提高，掺杂材料的倍率放电性能相比软碳材料得到了明显的提高。当MCMB与软碳比例为8∶2时，放电倍率百分比仅比单纯的MCMB材料低2%～3%。MCMB与软碳的混掺比例为5∶5时30C～40C的放电百分比能够达到80%左右。

表1 放电倍率性能 %

图1 放电倍率性能对比

2.2 充电倍率性能

从图2和表2中的数据可以看出，MCMB在15C后的充电倍率性能低于软碳材料8%左右，到20C时MCMB材料充电性能出现骤降，仅为20%左右，这说明MCMB在大倍率充电时，电化学极化较高。而随着软碳的混掺，充电倍率百分比逐渐增大，电化学极化逐渐减少，当软碳与MCMB比例为2∶8时，放电倍率百分比仅比单纯的MCMB材料低3%左右。当混掺比例为MCMB∶SC=5∶5时，20C的充电倍率仍然能够保持在60%左右。

图2 充电倍率性能对比

表2 充电倍率性能 %

综合电池倍率充放电性能数据，本文认为当MCMB∶SC=5∶5时，结合了各自材料的优点，电池的倍率充放电性能均较好。

2.3 循环性能对比

从图3中的数据可以看出，经过600次1C的循环测试后，MCMB放电容量百分比为95%左右，容量保持率较高，软碳为92%左右，MCMB∶SC=5∶5混掺时为93%左右，比软碳略有提高，具备较好的循环稳定性。

图3 1C循环性能对比

3 结论

从本文的实验结果中可以得出如下结论：

(1)从倍率放电性能方面比较，MCMB在40C下放电百分比能够达到91%左右，远高于软碳。

(2)软碳在充电倍率方面具有明显优势，20C下充电百分比比MCMB高出55%左右。

(3)掺杂材料中，随着MCMB比例的增加，电池的倍率放电性能逐渐上升；反之，随着软碳材料比例的提高，电池倍率充电性能得到改善。

(4)综合充放电性能，不同比例混掺材料中，MCMB与软碳混掺比例为5∶5时的充放电两方面表现都较好。放电倍率百分比20C～40C能够达到80%左右，充电倍率10C为80%左右，20C下也能够达到60%左右。

(5)MCMB与软碳混掺比例为5∶5时，电池600次循环容量保持率也在90%以上。

[1]卢萌，李铁虎，赵廷凯，等.中间相炭微球作为锂离子电池负极材料的研究进展[J].炭素，2013(1)：1-3.

[2]CHEN Z H,WANG Q Z,AMINE K.Improving the performance of soft carbon for lithiun-ion battery[J].Electrochimica Acta,2006, 51:3890-3894.

[3]卢俊彪，唐子龙，张中太，等.LiFePO4材料的制备与电池性能的研究[J].无机材料学报，2005(3)：667-669.

[4]WINTER M,PASSERINI S,BALDUCCI A.On the use of soft carbon and propylene carbonate-based electrolytes in lithium-ion capacitors[J].Journey of the Electrochemical Society,2012,159(8): A1240-A1245.

Study of anode materals for high power battery

Mesocarbon microbeads(MCMB)and soft carbon(SC)commercially used anode materials of lithium ion power battery were compared.It is found that the rated discharge property of MCMB is better than SC,while the rated charge performance is more excellent than the other.In order to achieve satisfactory rated performances of both charge and discharge,the mixing proportion of MCMB and SC was researched.The results show that when the ratio of MCMB and SC reaches 5∶5,the superior rated charge and discharge properties are obtained,which can meet the performance need of the high-power lithium ion battery in application.

lithium ion batteries;MCMB;soft carbon;mixing;rated charge and discharge properties

TM 912

1002-087 X(2016)06-1170-02