锂氟化碳电池电极参数设计与电性能研究

王云河，魏冰歆

锂氟化碳电池电极参数设计与电性能研究

王云河1，魏冰歆2

（1. 海军装备驻武汉地区第六军事代表室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

高比能兼具功率密度的电池在特殊国防军用领域有着极高的应用价值。锂氟化碳电池作为目前比能量最高的一种锂/固体正极电池，具有在水中兵器电源中进一步发展的潜力。本文采用不同电极参数组装的锂/氟化碳软包电池，对其倍率放电性能进行试验并分析，最后得出不同电极参数对电池性能的影响。

锂原电池 正极材料 氟化碳 面密度

0 引言

锂原电池在我国远程水下对抗类装备上多有应用，如航程循环水雷、诱饵雷、布雷系统等。对于水中兵器来说，电源系统应满足体积小、重量轻、质量及体积能量密度高、使用温度范围宽、贮存寿命长等需求。同时，对于需要维护简单、贮存寿命长的军用环境来说，锂原电池更具优势[1-3]。

锂/氟化碳(Li/CF)电池是一种以金属锂为负极，氟化碳为正极的一次电池。与其他常用的锂原电池，如锂/二氧化锰(Li/MnO2)电池、锂/二氧化硫(Li/SO2)电池、锂/亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池相比，锂/氟化碳电池具有能量密度高、安全性好等优点[4,5]。其中，当CF中=1 时，对应的锂/氟化碳电池理论比能量约为2180 Wh/kg，在固体正极材料中最高[6]。

本文通过对氟化碳软包电池开展电极参数设计及电性能研究，对不同电极面密度下的电池放电倍率等性能进行了详细分析。得出了正极面密度为5 mg/cm2时，锂氟化碳软包电芯具有较高体积能量密度等结论。

1 试验方案

1.1 电池的制备

采用氟化碳作为正极材料、锂带作为负极材料，正极材料配方为质量比90（CF）:5（Super-P）:5（PVDF），负极按照理论所需过量10%设计，正极集流体为12 μm涂碳铝箔，负极集流体为8μm铜网，隔膜为Clgarde商用隔膜，电解液体系为PC+DME+LiBF4。

图1 氟化碳软包电芯图

1.2 电极参数的设计

软包电芯正极片采用固定的压实密度，该压实密度经过试验优选。正极涂布单面面密度设计为3.0、5.0、7.0及9.0 mg/cm2，电池额定容量均统一设计为20Ah。四种电芯按照电极面密度从小到大依次命名为1号、2号、3号和4号电池，表1为电池正极片设计参数。

表1 电池正极片设计参数

1.3 表征及测试方法

通过扫描电子显微镜(SEM，FEI/Quanta 250)观察氟化碳粉体的微观形貌。使用武汉蓝电CT3001B电池测试仪(5 V-100 A)及上海龙跃高低温测试柜在25 ℃进行不同倍率的放电测试。其中倍率放电性能参数设置为0.5 C，1 C，3 C，放电截止电压为1.75 V。软包电芯放电前静置12 h。

2 结果与讨论

2.1 粉体表征

对购买所得的氟化碳形貌进行SEM观测，结果如图2。由图可知，通过高温制备的氟化碳材料仍保持有石墨材料的层状结构。且氟化碳颗粒为不规则形状，大小在10 μm左右。

图2 氟化碳粉体SEM图

2.2 电化学性能表征

图3、4、5为4种不同面密度的软包电芯放电曲线。在0.5C放电时，4种极片的放电中值电压和克容量相近，其克容量分别为801.9 mAh/g 、789.9 mAh/g 、783.2 mAh/g 和779.2 mAh/g，克容量承递减的趋势。在1.5 C及3 C的放电倍率下，电芯容量的发挥随着面密度的增大逐渐减小，1.5C倍率下分别为735.6 mAh/g、728.8 mAh/g、700.8 mAh/g和660.8 mAh/g，以及3C倍率下分别为691.2 mAh/g、594 mAh/g、557.7 mAh/g和579.4 mAh/g。在压实密度一定的条件下，更小的面密度意味着更薄的极片厚度，有利于电子和离子的传输，其材料克容量也有更好的发挥。

图3 四种不同面密度的软包电芯在0.5C的放电曲线

图4 四种不同面密度的软包电芯在1.5C的放电曲线

然而对整体电芯来说，体积比能量是更重要的指标，图6为4种电芯在不同倍率下的体积比能量。由图可知，在不同倍率下，面密度为5 mg/cm2的极片体积比能量最大，面密度为3 mg/cm2的极片体积比能量最低，而面密度为7 mg/cm2和9 mg/cm2的极片体积比能量较为接近，无明显优劣差别。对于软包电芯来说，面密度的提高使集流体、隔膜等辅材的用量减少，然而过高的面密度会导致极片变厚集流体数量减少，阻碍电子传输，同时电解液渗透情况不佳时，离子传输也受到阻碍7。考虑到氟化碳材料放电时导致的极片膨胀较大，将会加深对上述传输的阻碍[8]。本次试验中，以体积比能量作为依据，可知在面密度为5 mg/cm2时锂/氟化碳软包电芯性能最佳。

图5 四种不同面密度的软包电芯在3C的放电曲线

图6 四种电芯在不同倍率下的体积比能量

3 结论及展望

氟化碳电池体积能量密度高、电压平台稳定等多种优点，在水中兵器领域具有巨大的发展潜力。本文通过研究锂/氟化碳软包电芯极片面密度与电性能的关系，得出了在一定条件下，极片面密度为5 mg/cm2的软包电芯具有最高体积能量密度的结论，研究成果有助于优化高比能锂原电池参数设计，为后续研究锂/氟化碳电池提供数据支撑，对未来水中兵器、单兵电源等军工领域应用提供可靠能源支持。

[1] 周德鑫, 任斌, 王晟. 国外水中装备用锂电池发展综述[J]. 电源技术, 2015(04): 206-208.

[2] 王宇轩, 黄雯, 李学海. 水下电源的研究进展[J]. 电源技术, 2011, 035(007): 858-861.

[3] 高新龙, 王宇轩, 李学海. 从装备需求看鱼雷动力电池发展[J]. 鱼雷技术, 2016, 24(003):206-210.

[4] 刘春娜. 锂氟化碳电池技术进展[J]. 电源技术, 2012(5): 624-625.

[5] 黄彦瑜. 锂电池发展简史[J]. 物理, 2007(08): 643-651.

[6] A Hamwi, K. Guérin, M. Dubois. Fluorinated materials for energy conversion[J]. Elsevier, 2005: 369-395.

[7] 左安昊, 方儒卿, 李哲. 锂离子电池电极结构参数对单体能量与功率的影响[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(02): 470-482.

[8] 乔学荣, 任学颖. 锂氟化碳电池内应力研究及电池壳设计[J]. 电源技术, 2017, 041(007): 1013-1016.

Research on Electrode Parameter Design and Electrical Performance of Li/CFx Battery

Wang Yunhe1, Wei Bingxin2

(1. Military Representative Wuhan Office, Naval Armament Department of PLAN, Wuhan 430064; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064)

TM912

A

1003-4862（2021）08-0008-0003

2021-07-21

王云河（1972-），男，高级工程师。研究方向：化学电源。E-mail: 281067795@qq.com