一种超长寿命高安全性快充电锂离子电池研制

2021-05-30＊

当代化工研究 2021年9期

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（漳州万宝能源科技股份有限公司福建 363000）

1.前言

锂离子电池关键技术及其产业化，是国家轻工行业鼓励发展的“高技术绿色电池产品制造”产业；科技部关于《国家重点新产品计划优先发展技术领域》中，也把锂离子电池以及相关产品及技术列为优先发展技术领域。锂离子电池通常由正、负极板、隔膜和电解液组成。根据应用场景不同，锂离子电池可分为动力、消费和储能等3种类型。由于锂离子电池是一种新型的具有大功率密度的电池，被认为是21世纪最理想的绿色环保电源[1-4]。高能量密度、长寿命、高安全性和快充电的锂离子电池是我国当前重点研究和发展的方向，也是战略性新兴产业的重要组成部分。可见，开展锂离子电池关键技术及其产业化研究，对我国锂离子电池相关产业的发展具有十分重要的意义。本文介绍了一种超长寿命高安全性快充电锂离子电池研制中涉及部分核心关键技术，以期为相关行业提供参考。

2.电池电解液及其功能添加剂的开发

电解液是锂离子电池重要的组成部分，对锂离子电池性能和应用有很大影响。开发电解液是超长寿命、高安全性和快充电磷酸铁锂电池实用化的关键之一。多元有机溶剂体系是目前广泛使用的电解液有机溶剂。本文研制的有机溶剂是在传统的EC、DEC和EMC组合的基础，提高了EMC的含量，并加入PA，以改善电池的倍率充放电及低温充电性能。这是由于EC具有介电常数高、电解液的电导率高、与电极相容性好等特点，但其价格较高，且粘度高和熔点高，不利于锂离子的迁移和电池的低温使用；而DEC和EMC粘度低，有益于锂离子的迁移，且价格相对低，但其介电常数低，影响电解液的导电率；EMC的熔点低，低温性能好，安全性高；DEC熔点随比EMC高，但比DMC的熔点低，属于居中水平。这些有机溶剂的组合有助于提高电解液的导电率，安全性和拓宽电解液的使用温度范围等特点。

功能添加剂的研发是磷酸铁锂电池电解液的核心。本文主要对SEI膜优化剂、提高电解液电导率的添加剂、提高电池高温性能和低温性能添加剂等开展研究。研究了所选择的添加剂，包括复合添加剂对电池循环性能、高温存储、过充、热冲击、低温放电性能、高温放电性能和高倍率充放电性能的影响，特别是对磷酸铁锂电池低温性能、高温性能、循环寿命、安全性能和高倍率充放电性能等的影响。在添加剂中，PS含量一般优选为0.8%，并用含硫添加剂和醚类添加剂来加强高温存储和高温循环性能，同时还添加锂盐添加剂来改善低温充电性能。开发的电解液及其添加剂的配方为：

其他添加剂（含硫和醚类添加剂以及锂盐添加剂等组成），0-10%含硫添加剂和醚类添加剂来加强高温存储及高温性能，同时还添加锂盐添加剂来改善低温充电性能。

3.设计了一种锂离子电池安全防爆结构

不论是采用叠层式或卷绕式结构的电极隔离组件，其电池在使用过程中，均可能发生内部短路、膨胀、爆炸等现象，对人身、财产安全产生危害。本文设计了一种锂离子电池安全防爆结构，解决了叠层式和卷绕式电极隔离组件易发生内部短路、膨胀、爆炸等问题，可大大避免电池内压过大而产生爆炸的现象。锂离子电池的安全防爆结构，其具体结构如图1-图3。图1为电极隔离组件、正极极耳与金属片的立体结构示意图；图2为电极隔离组件与负极极耳的立体结构示意图；图3为防爆结构的剖面示意图。

图1 电极隔离组件、正极极耳与金属片的立体结构示意图

图2 电极隔离组件与负极极耳的立体结构示意图

图3 防爆结构的剖面示意图

图中数字1至9，分别为上壳盖1、下壳体2、电极隔离组件3、正极极耳4、负极极耳5、正电极片6、负电极片7连接、金属片8、内凹9。

4.12380C1-120mAh型号超长寿命高安全性快充电磷酸铁锂电池主要性能测试

(1)循环性能测试

测试采用新威测试柜5V6A和烤箱等设备；测试条件：试验应在25℃±2℃的环境下进行，试验过程中，充电：CCCV 1.5A，3.65V，0.2A截止；放电：CC1.8A，12S；CC0.635A，2.5V（80mAh截止）。每250次循环测试一次全容量。

实测结果是：循环20000次≥100mAh，20000次循环后电芯的剩余容量/初始放电容量为83%，具有优异的循环性能，结果如图4所示。

图4

(2)温度循环测试

采用恒温恒湿箱测试设备；测试条件：在23℃±2℃的环境温度下，电芯先以0.635A电流放电至2.5V，然后再以1.5A电流恒流充电，当电芯达到3.65V时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于200mA后，将其放入恒温箱中进行如下步骤：①72±2℃下保持6小时；②在30分钟内将温度下降到-40±2℃并保持6小时；③在30分钟内将温度上升到72±2℃并保持6小时；④重复上述第2、3步骤共10次；⑤将电芯取出放置于20±5℃下观察24小时。

实测结果是：电芯电压≥90%初始电压；电芯应不漏液、不泄气、不破裂、不起火。结果如表1所示。