磷酸鐵鋰材料在動力鋰離子電池中的應用_圖文

1、876收稿日期:2009-07-22作者簡介:楊凱(1982,男,天津市人,助理工程師,主要研究方向為鋰離子電池。Biography:YANG Kai(1982,male,assistant engineer.磷酸鐵鋰材料在動力鋰離子電池中的應用楊凱,劉興江(天津電源研究所物理與化學電源重點實驗室,天津300381摘要:鋰離子電池因其有較高的電壓和能量密度,被廣泛應用于HEV 、PHEV 和電動工具領域。使用經(jīng)過碳包覆方法處理的磷酸鐵鋰(LiFePO 4材料來制備軟包裝電池,其高倍率放電性能、高低溫性能和循環(huán)性能測試結果表明,該材料完全可以滿足動力電池的需要并得到廣泛的應用。關鍵詞:磷酸鐵鋰;

2、動力電池;鋰離子電池中圖分類號:TM 912.9文獻標識碼:A文章編號:1002-087X(200910-0876-03Investigation of LiFePO 4cathode material for power lithium-ionbatteriesYANG Kai ,LIU Xing-jiang(Tianjin Institute of Power Source,Tianjin 300381,ChinaAbstract:Lithium ion battery (LIBis a promising candidate as energy storage and power out

3、put in HEV,PHEV and power tools,because of its high voltage and high energy density.The electric conductivity of LiFePO 4can beimproved by the method of carbon coating.The batteries with LiFePO 4cathode have been prepared.The results show that rate ability,discharging ability at different temperatur

4、e and cycle ability are good enough to meet therequirements of power lithium-ion battery.Key words:LiFePO 4;power lithium-ion battery;lithium ion battery 近年來,為應對汽車工業(yè)迅猛發(fā)展帶來的諸如環(huán)境污染、石油資源急劇消耗等負面影響1,各國都在積極開展采用清潔能源的電動汽車EV 以及混合動力電動車HEV 的研究,并將其作為今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然方向2。鋰離子電池作為未來電動汽車最主要的候選動力電源,具有成本低廉、性能優(yōu)異的特點,成為研究的主要目

5、標3。具有橄欖石結構的磷酸鐵鋰是一種應用前景十分廣闊的鋰離子蓄電池正極材料。LiFePO 4的理論比容量為170mAh/g ,相對于鋰金屬負極的穩(wěn)定放電平臺為3.43.5V ,且具有原料資源豐富、價格便宜、無毒、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)點4。但是磷酸鐵鋰材料本身的離子電導率和電子電導率并不高,這就使得其在動力鋰離子電池領域的發(fā)展受到了阻力。我們使用經(jīng)過碳包覆處理之后的磷酸鐵鋰材料作為電池正極,組裝2Ah 的功率型軟包裝電池,并對其進行電性能的測試。1實驗1.1電池制備本實驗的測試電池為軟包裝電池,容量2Ah 。正極材料為C-LiFePO 4;負極材料為MCMB ;隔膜為Cellguard 復合膜

6、;電解液為1mol/L LiPF 6的EC/DEC/DMC(體積比為111的混合液。1.2性能測試方法本實驗做了兩個不同倍率下的循環(huán)實驗,即3C 循環(huán)和5C 循環(huán)。充電條件均為1C 充電,充放電電壓范圍為2.53.6V 。2結果與討論2.1倍率放電性能從圖1中可以看到,這種電池具有良好的高倍率放電性能。相對于1C 放電容量,其20C 放電容量可達85%;50C 放電容量也可以達到15%。這說明,雖然磷酸鐵鋰材料本身的離子電導率和電子電導率并不高,但是經(jīng)過碳包覆處理之后,其電導率明顯提高,可以滿足高功率電池的要求。 另外,由于是動力用電池,所以電極均采用了薄電極結研究與設計構,這樣可以減小鋰離子

7、由電極內部遷移到電極表面的距離,從而減小內阻,提高倍率性能。2.2高低溫性能從圖2中可以看出,隨著溫度的降低,電解液電導率降低而導致電池內阻增大,電壓平臺逐漸降低,-20時,電壓平臺僅為2.8V,放電容量也僅為常溫時的53%。當溫度升高至50時,電壓平臺只是略有升高,但放電容量卻達到了常溫的122%。這可能是由于磷酸鐵鋰材料離子電導率提高而引起的。本實驗還針對不同溫度,進行了交流阻抗測試,測試結果如圖3所示。從圖中也可以看出,隨著溫度的降低,反應阻抗不斷增大,這必然導致電池內阻的增大和放電容量的下降,這與放電曲線是相吻合的。在反應阻抗增大過程中,我們認為這可能主要是由于正極的反應阻抗增大所造成

8、的。2.3循環(huán)性能由圖4可以看出,兩只電池經(jīng)過1000次循環(huán)之后,容量保持率都在95%以上。而在經(jīng)過了3000次循環(huán)之后,也仍具有較高的容量保持率。5C循環(huán)和3C循環(huán)的容量保持率都為76%左右。這說明,磷酸鐵鋰材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。本實驗在每做完100次循環(huán)之后,都會對電池進行滿電態(tài)交流阻抗測試。圖5和圖6為兩個循環(huán)的初始、1000次、2000次和3000次循環(huán)的阻抗圖。從圖中可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,阻抗圖不斷向右側偏移,但圓弧變化不大。這說明電池的歐姆阻抗在不斷增加,但電化學阻抗卻基本保持不變。從這里可以看出,歐姆阻抗的增加可能是循環(huán)性能下降的一個主要原因。造成這種現(xiàn)象可能跟軟包裝

9、電池的自身結構有關系。電池在充放電過程中都會有氣體產(chǎn)生,隨著氣體的 No.10研究與設 計877878聚集,軟包裝電池不可避免的會發(fā)生脹氣現(xiàn)象,這就會使原本緊貼在一起的電極之間產(chǎn)生縫隙,從而增加了歐姆阻抗。3結論使用經(jīng)碳包覆法得到的磷酸鐵鋰材料為正極活性物質、MCMB 為負極活性物質的電池,其在倍率放電、高低溫性能和循環(huán)壽命等方面都表現(xiàn)優(yōu)異,證明了磷酸鐵鋰材料可以在動力電池領域發(fā)揮本領。所以,只要對電極、電池等加以科學合理的設計和不斷的改進,磷酸鐵鋰材料一定可以在動力電池領域得到更廣泛的應用。參考文獻:1魏學哲,孫澤昌,田佳卿.鋰離子動力電池參數(shù)辨識與狀態(tài)估計J.同濟大學學報(自然科學院,20

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11、t max 的催化氧還原電子轉移數(shù)與Pt/C 相近,即氧還原過程為4e 還原過程;耐甲醇測試表明TDMNPPFe(催化劑具有很好的耐甲醇性能。參考文獻:1KIM H,SHIN S,PARK Y,et al.Determination of DMFC deteriora-tion during long-term operationJ.J Power Sources,2006,160(1:440-445.2RALPH T R.Proton exchange membrane fuel cells-Progress in costreduction of the key componentsJ.P

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