高倍率锂电池极耳研究.pdf

高倍率锂电池极耳研究 陈宏，胡金丰，衣守忠 ( 深圳市雄韬电源科技股份有限公| _ i ：j ，广东深圳5 1 8 1 2 0 ) 摘要：研究了极耳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。通过实验研究得到了锂电池放电 倍率和极耳尺寸大小的关系，并找到了极耳的一种合理的引出方式，使锂电池放电倍率尽可能好而且能够产业化。 关键词：锂离子电池；高倍率；放电；极耳 中图分类号：t m9 12文献标识码：a文章编号：10 0 2 0 8 7x ( 2 0 13 ) 0 4 0 5 4 0 0 3 r e s e a r c ho nt a bo f h i g hr a t ed i s c h a r g el i t h i u mi o nb a t t e r y c h e nh o n g ，h uj i n f e n g ，y is h o u z h o n g ( s h e n z h e nc e n t e rp o w e rt c c hc o ，l t d , s h e n z h e ng u a n g d o n g5 1 8 1 2 0 ，c h i n a j a b s t r a c t ：t h ee f f e c t so ft h et a bs i z ea n dt h et a bp o s i t i o no ft h eb a t t e r yo nh i g hr a t ed i s c h a r g ep e r f o r m a n c ew e r e r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s c h a r g er a t ei sr e l a t e dw i t ht h et a bs i z e a n da l s oi t i sf o u n daf a v o r a b l eh i g hr a t ei i t h i u mi o nb a t t e r yw i t hp r o p e rt a bp o s i t i o n k e yw o r d s ：l i t h i u mi o nb a t t e r y ；h i g hr a t e ；d i s c h a r g e ；t a b 随着航模、电动t 具和电动玩具对高倍率放电需求的快 速发展，锂离子电池的倍率放电性能要求也越来越高。电池在 大倍率放电时，极耳发热严重，导致电池整体温升过高，电池 容易热失控，从而导致电池倍率放电性能和循环性能持续恶 化。一般情况下，设计者们都是主要从正负极材料和电池本身 结构两方面进行改善i 。”。现有锂离子电池卷芯结构分为叠片 方式和卷绕方式，叠片方式相当于几| 片小电池并联，极大地 降低了电池的欧姆内阻，其倍率性能远远好于卷绕方式。但叠 片方式成品率低、效率低，产业化成本高，不利于推广。本文通 过改进极耳的引出方式来改善卷绕电池的倍率性能，使其具 备部分叠片方式的优点，兼顾倍率和成本。为了避免极耳过热 造成电池失效，不同倍率要求的电池要选用不同规格的极耳， 本文通过理论计算和实验验证，归纳出极耳选用规范。 1 实验 1 1 极片的制备 将正极活性物质l i f e p o 。、超导炭黑s p 和导电石墨k s 6 混合，以p v d f 作为粘结剂配制成正极浆料。将负极活性物质 中间相碳微球m c m b 和超导炭黑s p 混合，以丁苯橡胶s b r 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，按图1 制成正极片和负极片。 _ 恤i ! l j _ l - _ _ _ _ i 霪黪 縻黪j 縻誓“1 - 。零f 酒f - 习_ 瑟瑟j i j 。“。旧 abcde 图1电池极片示意图 收稿日期：2 0 1 3 - 0 1 1 5 作者简介：陈宏( 1 9 8 扣) ，男江西省人工程师。硕士生，主要研 究方向为电化学。 2 0 13 4v 0 1 3 7n o 4 5 4 0 制成0 7 5 4 2 0 0 软包装锂离子电池，其容量存3a h ，许使其 极耳从电池两侧引日 。其中a 、b 、c 和d 均使川0 1r a m ( 厚) x 1 5m m ( 宽) 的极耳( 见表1 ) 。 叠片的电池( e 类) 分别使用0 1l t l r n x1 0m m 、0 1m m x1 5 m l t l 、0 2i t l r r l x1 0m m 和0 2m m x1 5m m 极耳( 表2 ) 。 表1实验电池的极耳设计 i 也i i ? 极撇i = | = 陡负极撇l 岐 蛳l j仲 。?j t 、j1 1 1 1 1 1f “j i 、jm i l l 4 c h 。1 。l5。h 州l j j i i 】i “5火孙i j 【1岁、州：si i i ( f l ：5 【)义；，ll j_ 、嗣；l j l 二55 表2e 方案极耳规格 1 u 池编i ，j做e l ；h1 1 1 1 1 1儆】| i ，1 1 1 n l e 10l ( e 2i ) 1】5 e 3i ) 二1 i ) e 4( j !】5 1 2 主要测试仪器 高精度电池测试系统( 深圳新威尔产) ；r b m 一2 0 0 智能电 池内阻测试仪；热电偶。 2 结果与讨论 2 1 极耳位置对电池倍率性能的影响 在高倍率放电的条件下，电池的放电电压曲线会 i ；现电 压峰，同时电池的放电容量也有所增大。通过红外热成像的方 法对锂离子电池高倍率放电条件下的热行为进行比较细致的 研究表明：锂离子电池放电过程中各个区域的电极反应是非 常不平衡的，高倍率放电的条件下，开始放电时极耳附近区域 的电阻较小，电流密度较大，这部分产生的热量比较大，温度 升高较快；充放电过程的后期，靠近搬耳【x - 域的容蛙耗塔，远 离极耳i k 域的部分温度上升比较缓慢时会导致放电过程终 止，反之会出现电肤i ：升的现象1 4 1 3a h 电池叠片钉2 0 多”，相“ 于二2 0 多个小l 乜池并联， l t 2 , j ku 不变，内阻r _ 1 ( r ，+ r + + r ) ，r = r 2 = 咫。叠 片电池的欧姆i 大】阻相“ 二卷绕电池的l 2 0电池的内阻| _ 1 1 欧 姆内阻干极化内阻两部分组成极化内阻r 1 正负极材料、电解 液和隔膜的性质决定 欧姆内阻由电池的结构决定 没汁大电流放电锂离子i 乜池时u r 在极片l 多焊接几个极 i # ，这样在高倍率放电条件下放电卡j j 期电池内部就会有多个 i ) ( 域内k f i 较小电流密度较大，反应速度较快，从m f 缓解单极 1e 情况f 的剧烈反应i i 电池的倍牢性能接近于叠片方i = 优 j 二卷绕，方式但是多极耳会大幅降f 氐 t l 产效率，产业化成本过 离 已经产业化的锂电池一般采州极片头部设置极耳方式， 本文将撇耳位移到极片的巾部相“j 丁二一个电池南两个小电 池并联而成，电池电胍u 不变，内阻r = 1 ( 尺。+ r ：) 。并联后总的 欧姆内h 降低r 一半大电流放电时要好于常用的头部极 i = 的电池不| 一】极耳f 讧置电池内阻及倍率放电的容量保持率 如表3 表3 内阻和容量保持率 ( 二，t - 1 j ( j ；s ( 一。 i i | j j ju 一1 12 h j i i ( jm 牛“。f i ! ”牛”。 j t1 二 q 15 j 4k r ( j j5) n l j 1 6 h ( ) l1 4u 5 l ) 1 7 5 ( ) 1 )二nu 二0n c )6 3i l i 一2hu su “二q 0 】 从表3 可以看出内阻e 2 a c b d 。内阻低的电池，高倍 率的容量保持率越好叠片方式最好，5 ( 1 可以达到1 ( 、的 9 8 1 ，1 0c 可达到lf 的9 6 2 ，1 5c 可达到lc 的9 0 1 。 正负极极耳都设置在极片巾间的电池，5c 可以达到1c 的 9 7 5 ，1 0c 可达到1c 的9 4 - 2 ，1 5c 可达到1c 的8 8 。，正 负极极耳都设置在极片中间的电池，其倍率性能基本已经接 近叠片方式的电池。 不同结构的电池1 0c 的放电平台如图2 ，横轴为1 0c 放 电容量与1c 容量的比值。 1 0c 放电平台电ke 2 a c b d 。内阻低，平台电压高 的电池，高倍率容量保持率好。正、负极极耳设置在极片巾间 的电池1 0c 放电平俞为2 9v 左右，比叠片方式电池低约0 1 v ；正极极耳设置在极片中间，负极极耳设置在极片头部的电 5 4 1 q ， 图2 不同结构电池1 0c 放电平台 池，j 负极极耳设置在极片巾问，正极极耳设置仵极片头部的 电池放电平台都存2 8v 左右；正、负极极耳都在极片头部的 电池放电平台最低，为2 6v 左有，并且现电卡峰。正、负极 极耳设置在极片巾问的电池1 0c 放电平台电胝比正、负极极 耳都设置存极片头部的电池高0 , 2v 。 2 2 极耳承载电流能力 电池存大倍牢放电时，极耳发热严蓖当极耳温度l 升到 6 0 时，对于铝塑膜封装的软包装电池，呵能造成密封不良 现有锂电池上e 极一般采用销材质儆耳，负极一般采川镍材质 极耳铝的电阻率为2 6 5 x1 0 “n m ，镍的电阻率为6 9 9 x 1 0 “n m 1 电池正常放电时( 在2 5 环境中) ，电流通过正、负 极极耳产生热量，随着热量的累积，极耳温度逐渐上升根据 牛顿冷却定律( n e w t o n sl a wo fc o o l i n g ) ，当物体表面与周同 存在温差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正 比。当上升到一定温度时，极耳产热与散热平衡，温度保持稳 定【7 1 。 q 散) = ( 瓦一功t( 1 ) q ( 产) = i2 r t( 2 ) r = o u s( 3 ) 式巾：q ( 散) 为时间t 内极耳散失的热量；a 产) 为时间t 内极耳 产生的热量；r 为极耳电阻；o t 为传热分系数；a 为传热面积； 1 j 为极耳温度；1 ；为环境温度；f 为通过极耳的电流；p 为极耳 电阻率；l 为极耳的长度；s 为极耳的横截面积。 通过计算发现，负极极耳的产热量大，散热速度慢。在负 极极耳材质一定的前提下负极极耳的尺寸是影响产生热量 的主要因素。本文通过计算得到了负极极耳j ：升到6 0 时， 负极极耳允许通过的电流( 表4 ) 将制作的电池进行放电测试，在2 0 条件下，采用热电 偶测试负极极耳的温度= 测试得到了极耳上升达到6 0 时允 许通过的电流值，如表5 。 对比表4 和表5 ，可以发现计算得到的极耳电流承载能力 表4极耳承载电流值 擞耳姚懈1 1 1 1 1 1帆”f 4 ( 1c f l “ ii m 汁i ；礼a o 卜i ( j2 39 0 1x i53 58 0 2 ，l 【)3 35 0 2 ，l55 0 2 0 13 4v 0 1 3 7n o 4 表5 实测极耳承载电流值 i u 池绷l j橄 | j f 扦i l n m撒i 吲，1 4 【l i i , j 屯【7 i ：j 垣j , jl t 流、 e i( ) 】_ 1 0二1 e 2 i j 】_ l5 3 3 卜3( 12v 1 0 3 5 hi j2 一l j 与实测得到的极耳电流承载能力接近。说明我们n ，以通过产 热散热平衡的算法，简单估计不同规格的极耳能够承受多大 的电流，便于我们设计电池时选用合适的极耳。 3 结论 极耳位置能够影响电池的欧姆电阻，采用在正、负极极片 巾间设置极耳的方式制作的卷绕电池，其电阻要比正常极片 头部设置极耳的卷绕电池小很多。实验发现叠片方式制作的 电池高倍率放电性能最好；常规极片头部设置极耳的电池高 倍率放电性能最差；正、负极耳设置在极片巾间的电池的高倍 率放电性能已经接近于叠片丁艺的电池，而且该种工艺形式 非常便于批量化生产j 同时，本文通过理论计算和实验验证了 不同规格的极耳电流承载能力，而且证明了简单的散热产热 平衡模型与实验有较好的符合性。 参考文献 b 1 e n s a np ，s i m o nb ，p e r e sjp ，e ta 1 o ns a f e t yo fl i t h i u m i o n c e l l s j j o u r n a lo f p o w e rs o u r c e s 1 9 9 9 8 1 8 2 ：9 0 6 9 1 2 s a i t oy t h e r m a lb e h a v i o r so fl i t h i u m i o nb a t t e r i e sd u r i n gh i g h r a t ep u l s ec y c l i n g j j o u r n a lo fp o w e rs o u r c e s ，2 0 0 5 ，1 4 6 ( 1 2 ) ： 7 7 0 7 7 4 s a t ot ，s h a k om ，t a k u y an h i g hr a t ep e r f o r m a n c eo fal i t h i u mp o l y m e rb a t t e r yu s i n gan o v e li j h i cl i q u i dp o l y m e rc o m p o s i t e j j o u r n a lo fp o w e rs o u r c e s ，2 0 0 7 ，1 6 4 ( 1 ) ：3 9 0 3 9 6 胡广侠，解晶莹，李存香，等锂离子蓄电