有色金属科学与工程  2013, Vol. 4 Issue (2): 37-40
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段建峰, 钟盛文, 曾敏. 20 Ah富锂锰动力电池的性能研究[J]. 有色金属科学与工程, 2013, 4(2): 37-40. DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2013.02.003.
DUAN Jian-feng, ZHONG Sheng-wen, ZENG Min. Performance research of 20Ah Li-ion power battery with the Li[Li(1-2x)/3NixMn(2-x)/3]O2 cathode[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2013, 4(2): 37-40.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2013.02.003.
20 Ah富锂锰动力电池的性能研究[PDF全文]
段建峰, 钟盛文 , 曾敏    
江西理工大学材料科学与工程学院，江西 赣州 341000
通信作者：钟盛文(1963-), 男，博士, 教授, 主要从事动力电池及材料方向的研究，E-mail:zhongshw@126.com
作者简介： 段建峰(1989-)，男，硕士研究生，主要从事动力电池及材料方向的研究，E-mail: duan.jian.feng@163.com
收稿日期：2012-12-16
摘要：以富锂锰基正极材料作为正极活性物质，石墨作为负极，成功研制出额定容量为20 Ah软包锂离子动力电池，重点讨论大容量富锂锰20 Ah锂离子动力电池的设计和性能检测；所制备的电池单体电芯，在充放电流为0.3 C的条件下，首次放电容量达到19 568.8 mAh；在1 C倍率下，比能量达到137 Wh/kg，循环500次容量保持率为101.8 %；经过过充、挤压、针刺、外部短路测试表明电池具有良好的安全性能.
关键词： 富锂锰基正极材料    动力电池    性能研究    
Performance research of 20Ah Li-ion power battery with the Li[Li(1-2x)/3NixMn(2-x)/3]O2 cathode
DUAN Jian-feng, ZHONG Sheng-wen , ZENG Min    
School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
Abstract: Li-ion power battery with 20 Ah nominal capacity is designed and fabricated with high levels of Lithium and Manganese cathode and graphite anode. This paper focuses on the design, performance test of the battery. Cycled with 0.3 C in 2.5-4.2 V, the first discharge capacity of the prepared single cell is 19 568.8 mAh; cycled with 1 C, specific energy is 137 Wh/kg, and discharge capacity retains about 101.8 % after 500 cycles. The results of over charge, extrusion, needle-punching and external short circuit test show that the battery has fine safety performance.
Key words: Li[Li(1-2x)/3NixMn(2-x)/3]O2    power battery    performance research    

随着世界能源危机加剧，对动力电池的研究成为各国研究的热点与重点.作为动力电池要求有以下特点[1-3]:①高能量、高功率；②高能量密度；③高安全性；④能快速充放电；⑤工作温度范围宽(-30~65 ℃)；⑥使用寿命长.而目前最有潜力、最可能替代石化能源的是锂离子动力电池.但是锂离子动力电池也遇到了发展瓶颈，它的安全性能还不能达到使用要求，以至于锂离子动力电池现在还不能实现规模产业化.在影响锂离子动力电池的安全因素中，正极材料的选择十分关键，目前动力电池使用的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂以及富锂锰基材料.近年来研究表明，富锂锰基正极材料[4-8]有良好的安全性能、倍率性能，而且循环寿命长，富锂锰基正极材料作为锂离子动力电池的正极材料，是非常具有竞争潜力的.因此，本文用富锂锰基正极材料作为正极活性物质，设计和制造出了额定容量为20 Ah的软包锂离子动力电池并对其性能进行测试.

1 实验 1.1 电池设计及参数

由于动力电池在使用的过程中会产生大量的热量，为了防止电池在使用过程中发生热失控，电池设计需满足大电流放电要求，因此，在设计和制备的过程中，采用以下的措施来保证锂离子动力电池的大电流要求[9-15]:调整现有叠片电池设计中的极片尺寸、形状以及极耳位置，尽量保证极片的电流分布、放电温度场均匀，不在某个点和区域引发热失控；在保持极片与极片之间导热、导电性能良好情况下，确定极片的厚度；在极片的制备过程中应严格控制环境的温度、湿度等因素，确保极片不起皮、不脱粉；确保电解液完全浸湿电池电芯的情况下，真空封口时，尽量使极片与极片之间的距离最小，保证电池不发软，降低在大电流放电条件下的极化影响；严格控制电池极片辊压均匀性，避免出现正负极片与隔膜之间的点接触，进而减小电池的内阻.

20 Ah锂离子电池的设计参数见表 1.

表1 20 Ah锂离子电池的设计参数
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1.2 电池制备过程

正极活性物质用江西江特锂电池材料有限公司生产的富锂锰基正极材料RM-5，并与导电剂、黏结剂及溶剂按一定的比例混合，均匀涂覆在铝箔上，经过压片、冲片制成正极片.负极以石墨为负极活性物质，与导电剂、黏结剂按一定的比例混合，涂覆在铜箔上，经过压片、冲片制成负极片.用叠片机以正极片、隔膜、负极片交替放置制成电池电芯，用铝塑膜包好电池电芯，经干燥、注液、封口、化成、真空二次封口，制成20 Ah锂离子动力电池，并对该电池测试循环性能、倍率性能、内阻及安全性能.

2 结果与分析 2.1 电池的内阻与容量特性

采用广州威旺BT1002-Ⅱ内阻测试仪测试，内阻为3.3 mΩ.电池内阻非常小，表明了富锂锰基正极材料非常适合动力电池.

在25 ℃下，单体电池0.3 C充电至4.2 V，转恒压充到电流减小到0.03 C为止，然后在0.3 C恒流放电至2.5 V，其中图 1为电池0.3 C首次充放电曲线.

图 1 20 Ah锂离子电池首次充放电曲线

从图 1中可以看出，电池的首次充电容量23 516.7 mAh，其中恒流充电容量为20 004.4 mAh，占总充电容量的85.1 %，首次放电容量为19 568.8 mAh，充放电效率达到83.2 %；1 C放电条件下电池比能量为137 Wh/kg.

2.2 电池的荷电保持及恢复能力

对电池进行了荷电保持能力和容量恢复能力测试，具体方法是在25 ℃下将电池充满电，开路状态搁置28 d，之后将电池0.3 C恒流放电至2.5 V，储存后放电容量为20 815.3 mAh，与额定容量的百分比为电池的荷电保持能力的94.8 %，将经过上述放电测试的电池在25 ℃条件下以0.3 C倍率充放电，所放出容量与额定容量的比值即为容量恢复能力，该电池经过一次循环后放电容量为21 929.2 mAh，为额定容量的99.7 %，即为容量的恢复能力.符合电动汽车用锂离子蓄电池荷电保持率不低于额定值的80 %的要求，容量恢复能力应不低于额定值的90 %的标准. 图 2为电池搁置28 d后首次放电曲线和容量恢复曲线.

图 2 20 Ah电池搁置28 d后放电曲线和容量恢复曲线

2.3 循环性能

循环性能是衡量动力电池性能的一个重要指标，动力电池必须具有良好的循环性能，才能满足例如电动汽车等使用要求. 图 3为电池在室温25 ℃、1 C充放电的条件下的循环性能曲线.从图 3中可以看出，电池在循环过程前期放电容量缓慢上升，这主要是由富锂锰基正极材料的结构决定的，因为在循环的过程中，越来越多的Li+参与电池的充放电反应.电池的首次循环放电容量为20 460.7 mAh，经过500次循环之后放电容量为20 819.4 mAh，与首次放电容量的比值为101.8 %，表明富锂锰基正极材料与其他的正极材料相比，有着良好的循环性能.

图 3 20 Ah锂离子电池的1 C循环性能

2.4 电池的倍率性能

对于动力电池来说，某些工况下需要提供大的瞬时功率，因此电池的倍率性能是电池性能的重要指标，图 4是动力电池在25 ℃下的不同电流的放电曲线.

图 4 20 Ah锂离子电池不同倍率放电曲线

从图 4中可以看出，当放电电流分别为0.15 C、0.3 C、0.5 C，电压平台平稳，逐渐下降，下降幅度很少；当电流增加到1 C，电压平台较平稳，但是电压平台与0.5 C电流的电压平台相比，下降得比较多，当电流增加到2 C，电压平台依然十分平稳，放电容量还能保持额定容量的94.5 %.随着电流的增大，电压平台下降，放电容量也随着下降，这是因为随着电流的增大，电池的内阻与极化也增大，进而影响了电池的电压平台与放电容量.

2.5 电池的安全性能

对制备的电池进行了过充、针刺、挤压和外部短路等4项安全测试，结果见表 2.

表2 20 Ah锂离子电池的安全性能
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从表 2可知，所制备20 Ah锂离子电池具有优良的安全特性.

3 结论

采用叠片工艺以富锂锰为正极材料，制成容量为20 Ah锂离子动力电池，测试结果表明:

(1)制备的电池在0.3 C充放电流条件下，首次放电容量达到19 568.8 mAh，首次充放电效率为83.2 %，内阻为3.3 mΩ，电池比能量为137 Wh/kg，当放电电流增加到2 C时，放电容量为额定容量的94.5 %.

(2)电池在搁置28 d后放电，其首次放电容量为额定容量的94.8 %，可恢复容量为额定容量的99.7 %，符合电动汽车用锂离子蓄电池标准的相关要求.

(3)电池在1 C充放电流条件下，循环500次以后容量与首次放电容量比值为101.8 %，表明电池具有非常好的循环性能.

(4)电池具有良好的安全性能.

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