极耳对锂离子电池倍率性能的影响.pdf

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1、极耳对锂离子电池倍率性能的影响作者：侯敏1黄睿2高蕾2王路2（1.上海航天电源科技有限责任公司，上海201206；2.浙江南都能源科技有限公司，浙江杭州310000）摘要：研究了负极耳材质、尺寸大小以及极耳引出方式对锂离子电池高倍率放电性能的影响。结果表明，2Ah电池采用15mm铜镀镍负极耳，能够有效改善电池的高倍率放电性能，电池最大放电倍率能达到30C，放电曲线平滑；同时电池具有良好的倍率循环性能，25C倍率循环200周后的放电容量仍保持初始容量的78%。关键词：锂离子电池；高倍率放电；铜镀镍负极耳近年来，随着航模、电动工具和电动玩具的快速发展，对锂离子电池的倍率放电性能要求也越来

2、越高，但目前商品化的锂离子电池很难实现20C倍率以上的持续放电，其主要原因是电池在大倍率放电时，极耳发热严重，电池整体温度过高，使得电池容易热失控，从而导致电池倍率放电性能和循环性能变差。为了得到倍率放电性能好且安全可靠的锂离子电池，在大电流放电时，一方面要尽量避免电池产生大量的热，另一方面要提高电池的散热速率，前者的改善方法可从正负极材料、电解液及正、负极极片设计入手，而后者可通过优化电池结构来提高电池的散热速率，从而提高电池的安全性[1-3]。极耳是电池与外界能量传递的载体，所以电池大倍率放电时，提高极耳的电导率能够在放电初期有效改善电池的倍率放电性能。常规的锂离子电池负极耳采用

3、镍极耳，其电导率较差，电导率为140000S/cm，正极耳采用铝极耳，其电导率为369000S/cm。在高倍率放电时，由于负极耳的电导率较低，导致电池表面温度过高，从而影响电池的高倍率放电性能。而铜镀镍负极耳具有优良的导电性能，其电导率接近纯铜的电导率，约为584000S/cm[4]。因此本文在现有高倍率体系的基础上，以铜镀镍负极极耳为研究对象，研究了极耳材质、尺寸大小及极耳引出方式对锂离子电池的倍率放电性能和倍率循环性能的影响。1实验1.1电池的制备及设计将正极活性物质LiCoO2、超导炭黑SP和导电石墨KS6混合，以PVDF作为粘结剂配制成正极浆料。将负极活性物质MCMB和超导炭

4、黑SP混合，以PVDF作为粘结剂配制成负极浆料。将正、负极浆料经涂布和辊压后，制成超薄、多孔隙的正极片和负极片。按常规锂离子电池的制备方法，将正、负极极片采用叠片结构制备成额定容量为2Ah的506680型锂离子电池。实验电池的极耳设计见表1。表1实验电池的极耳设计1.2主要测试仪器采用BS-9088K-3A锂离子电池自动检测装置（广州产）对电池进行化成和分容；采用BK-7024L/60可充电电池检测设备（广州产）对电池进行倍率放电性能的检测；采用热电偶检测倍率放电时的电池表面温度。2结果与讨论2.1负极耳材质及尺寸对电池倍率放电性能的影响在高倍率放电条件下，极耳尺寸的选择不仅由电池的

5、型号决定，而且也取决于电池的最大放电电流。本文通过改变负极耳的材质及尺寸大小，研究负极耳对电池20C倍率放电性能及电池表面温度的影响。将ND-1、ND-2和ND-3电池以20C倍率恒流放电至2.75V，电池倍率放电曲线见图1，在倍率放电过程中电池表面的温度变化曲线见图2。由图1可见，电池放电初始电压的比较为：ND-1>ND-2>ND-3，ND-1电池放电电压平台高，放电曲线平滑，且放电初始电压较高，而ND-2电池和ND-3电池分别在3.15V和3.12V出现了电压峰，电压峰的出现是因为在高倍率放电过程下，电池内部各区域的电极反应是极不平衡的。在放电初期，极耳附近区域的电阻较小，电流密

6、度较大，电化学极化较大，所以曲线上出现了电压峰，在放电后期，靠近极耳区域的容量耗尽，而远离极耳区域的部分温度上升比较缓慢，从而会出现电压回升的现象[5]。通过对电池ND-1与ND-3倍率放电曲线的比较可见，10mm宽的极耳在40A放电时，极耳附近区域的电化学极化较大，从而影响了电池的倍率放电性能，这说明采用较宽尺寸的极耳有利于改善电池的倍率放电性能。通过对比图1中ND-1与ND-2倍率放电曲线可见，相同尺寸不同材质的极耳同样会对电池的倍率放电性能有很大影响，负极耳采用铜镀镍材料的电池有较好的倍率放电性能。通过研究电池表面温度随放电容量变化曲线，由图2可见，ND-1电池的表面温度比ND

7、-2电池降低10℃左右，这是因为ND-2电池采用的镍负极耳电导率较差，在大倍率放电过程中，靠近负极耳区域的温度最高，因此这部分区域产生大量的焦耳热，导致温度上升过快，而负极耳采用电导率好的铜镀镍材料，能够有效降低极耳区域的电化学极化，减缓了电池表面温度的上升，因而改善了电池的安全性能。以上实验结果表明2Ah电池采用15mm铜镀镍负极耳不仅具有良好的倍率放电性能，而且具有较好的安全可靠性。2.2极耳引出方式对电池倍率放电性能的影响在高倍率放电条件下，不同的电