采用鈦酸鋰負(fù)極材料高功率鋰離子電池研制

1、采用鈦酸鋰負(fù)極材料高功率鋰離子電池研摘要：交通領(lǐng)域需要一種可高倍率放電、寬的溫度 工作范圍、長壽命和安全的化學(xué)電源，但是現(xiàn)行的鋰離子蓄 電池的倍率性、安全性和循環(huán)壽命尚不能完全滿足要求。采 用猛酸鋰為正極材料，鈦酸鋰為負(fù)極材料，制成了 32670/2000mah的鋰離子電池，該電池20c放電容量能夠達(dá) 到1.0c放電容量的94. 56%,電池在-2(tc的條件下5.0c放 電能夠放出相比25£條件下容量的83. 73%o在6ctc的條件 下5c放電能夠放出相比25°c條件下容量的103. 11%, 5c循 環(huán)測試2000周后容量剩余率為92. 50%,電池經(jīng)過各項安全 測試

2、，顯示了良好的安全性。關(guān)鍵詞：li4ti5012；鋰離子電池；猛酸鋰；高倍率由于環(huán)境污染問題，新能源交通工具已經(jīng)逐漸引起人們 的重視，鋰離子電池因其具有比能量高和自放電小等優(yōu)勢， 而成為該領(lǐng)域的佼佼者。以碳為負(fù)極材料的鋰離子電池，經(jīng) 過實(shí)踐驗證，存在著大量問題，如長期循環(huán)、高功率及低溫 下使用后，電池性能下降等，而且在濫用狀態(tài)下電解液會與 嵌鋰碳負(fù)極發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱，造成電池 爆炸時刻。為克服這些缺點(diǎn)，研究應(yīng)用li4ti5012負(fù)極材料是解決 方向之一。鋰鈦復(fù)合氧化物li4t15012是一種金屬鋰和低電 位過渡金屬鈦的復(fù)合氧化物，屬于ab2x4系列，具有缺陷的 尖晶石結(jié)構(gòu)，是固

3、溶體ll+xti2-xo4 （owxwl/3）體系中的 一員，立方體結(jié)構(gòu)，空間群為fd3m,具有鋰離子的三維擴(kuò)散 通道。但是鈦酸鋰具有充放電過程中骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變 化的"零應(yīng)變”特性，嵌鋰電位高（1.55vvs.li/li+）而不 易引起金屬鋰析出、庫侖效率高、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)（2x10-8cm2/s）比碳負(fù)極高一個數(shù)量級等優(yōu)良特性，具備 了下一代鋰離子蓄電池必需的充電次數(shù)更多、充電過程更 快、更安全的特性。意大利的b. scrosati教授和日本的 t. ohzuku教授分別提出了以鈦酸鋰為負(fù)極，尖晶石材料為正 極的3v鋰離子蓄電池，而altairnano和東芝公司分別開發(fā) 了

4、lico02/l14t15012鋰離子蓄電池并商業(yè)化。而我國正式 在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出圓柱形32670型電池，并對其各項性能 進(jìn)行了評價測試，其具有快速充放電、壽命長、工作溫度范 圍寬等優(yōu)勢。1實(shí)驗1. 1電池制作正極材料按照：m （猛酸鋰（湖南瑞翔）：m （導(dǎo)電劑）: m （pvdf） =96： 2： 2的比例進(jìn)行漿料配制，然后以20um厚 的鋁箔作為集流體進(jìn)行涂布及極片制作；負(fù)極材料分別按 照：m （鈦酸鋰（貝特瑞）：m （導(dǎo)電劑）：m （pvdf） =90： 6： 4,然后同樣以20um厚的鋁箔作為集流體進(jìn)行涂布及極片 制作；隔膜采用了 40卩m厚的日本nkk紙隔膜，電解液采用 諾萊特tl

5、-151型。采用了卷繞工藝，制備出32670型樣品 電池，如圖1所示。1.2實(shí)驗測試實(shí)驗電池運(yùn)用美國arbin生產(chǎn)的充放電測試儀對電池進(jìn) 行化成?；芍贫炔捎?.2c電流充電到3. 0v；再3. 0v電壓 恒壓充直到電流降低到100ma；然后用1.0c的放電倍率放電 到1.5v,再用1c的電流進(jìn)行一次充放電，并作為首次充放 電數(shù)據(jù)，之后對電池進(jìn)行1c充電，不同倍率放電，放電電 流1c20c；之后采用1c電流常溫充電，使用5c電流在不 同溫度下進(jìn)行放電；并進(jìn)行1c和5c電流的充放電循環(huán)測試 以及熱箱、過充、短路等安全性能測試。以上所有測試也均 在arbin充放電測試儀上完成。2結(jié)果與討論2. 1

6、首次充放電曲線圖2為室溫下2ah電池的首次充放電曲線。電池1c放 電容量達(dá)2. 02ah,達(dá)到額定容量為2ah的設(shè)計要求。視此條 件下的放電容量為標(biāo)準(zhǔn)值100% （其放電電壓平臺為2.45v左 右），后面的電性能參數(shù)都以此放電容量為參照。2. 2電池倍率放電測試分別使用1c電流對電池進(jìn)行充電，之后使用不同的電 流進(jìn)行放電，圖3是所做電池以不同放電倍率進(jìn)行放電的曲 線。從圖3可看出，該種材料制作的電池具有平穩(wěn)的放電平 臺和非常優(yōu)異的大倍率放電性能，該電池在20c電流的情況 下，放電容量依然能夠達(dá)到1c放電容量的94. 56%,因此能 夠滿足快速放電的使用要求。2.3電池高低溫條件下放電測試在常溫

7、的使用1c電流進(jìn)行充電，之后將電池放置到恒 溫箱中，使用5c電流進(jìn)行放電。圖4是該電池不同溫度條 件下的恒電流放電曲線。從圖4可看出，電池即使在低溫 -2(rc的條件下5c放電能夠放出相比25"條件下容量的 83. 73%,而在高溫60°c的條件下5c放電能夠放出相比25°c 條件下容量的103. 11%o所以可推測該電池具有良好的大電 流高低溫放電性能，能夠適應(yīng)不同的溫度環(huán)境條件應(yīng)用。2.4電池循環(huán)測試圖5是該電池的1c和5c循環(huán)測試曲線，1c循環(huán)2000 次后，剩余容量為初始容量的96. 7%, 5c循環(huán)2000次后， 剩余容量達(dá)到初始容量的93.5%,可以看

8、出，電池具有非常 好的循環(huán)性能，在大電流下，也依然保持了較好的循環(huán)壽命。 這可能跟鈦酸鋰材料本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，鈦酸鋰材料的離子擴(kuò) 散系數(shù)高，并且在鋰離子的反復(fù)嵌入和脫嵌過程中，與碳電 極的基本體相比，鈦酸鋰不易發(fā)生膨脹和收縮，影響體系的 循環(huán)壽命。鈦酸鋰li4ti5012作為一種“零應(yīng)變"材料，具 有尖晶石結(jié)構(gòu)。在充放電過程中，鋰離子的嵌入、脫嵌對 li4ti5012的結(jié)構(gòu)影響很小，因此具有良好的循環(huán)性能。2.5電池安全測試對電池進(jìn)行了 15ctc熱箱、5v過充、6(tc短路、沖擊測 試，測試過程中均沒有發(fā)生爆炸起火現(xiàn)象。電池在過充測試 時最高溫度未超過6(tc。電池短路測試過程中和擠壓測試過 程中已經(jīng)短路，但最高溫度未超過9ctc。以上測試表明，該 電池具有良好的安全性能。3結(jié)論采用猛酸鋰為正極材料，鈦酸鋰為負(fù)極材料制成 32670/2000mah圓柱形鋰離子電池，該電池在電流20c的情 況下，放電容量能夠達(dá)到1.0c放電容量的97. 30%,電池在 低溫-2ctc的條件下0. 5c放電能夠放出相比25£條件下容量 的98. 72%,在高溫65°c