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高镍三元锂离子电池循环衰减分析及改善

所属分类:行业资讯    发布时间: 2022-11-22    作者:admin
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在动力电池领域,随着近年来锂离子电池能量密度的不断提升,容量更高的NCM811 材料逐渐替代了中低镍NCM材料,使得动力电池的能量密度有了大幅地提升,电动汽车的续航里程也有了显著提升。高镍含量的NCM材料虽然具有高比容量和低成本的优势,但也存在循环性能较差,热稳定性能差等缺陷[1],而这些固有缺点也限制了NCM811体系电池的产业化进程。本文以NCM811/石墨体系电芯为研究对象,对其进行常温及45 ℃充放电循环测试,分析了不同温度条件下循环前后材料晶体结构、形貌等的变化,明确循环衰减的主要影响因素,有针对性的提出改善方案,改善后,显著提升了NCM811/石墨电芯的高温循环性能。


1 实验部分

       1.1 软包电池制作

以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,将聚偏氟乙烯(PVDF)充分溶解在NMP中,将几种导电剂(super-P、CNT等)加入到PVDF胶液中进行高速匀浆分散,制备出导电胶液。将定量的NCM811正极材料分散加入到制备的导电胶液中,在高速搅拌机中充分混合,制成均匀的正极浆料,将浆料双面涂覆在铝箔上,经过烘干、碾压、分切、冲切等工艺获得正极片。石墨负极的浆料以去离子水为溶剂,将羧甲基纤维素钠(CMC)溶解到水中制成CMC胶液,将石墨负极材料高速分散到CMC胶液中,再加入黏结剂丁苯橡胶(SBR),制成负极浆料,将浆料双面涂覆在铜箔上,经过烘干、碾压、分切、冲切等工艺获得负极片。正负极间加入隔膜以叠片方式制成极组,经极耳焊接后封装到铝塑壳中,然后经过注液、化成、排气、直封切边等工序制成软包电池,额定容量为4.8 A·h。

1.2 电池测试与分析

软包电池的循环性能采用美国Arbin电池测试仪进行测试。将电池用夹具夹紧,分别在常温及45 ℃恒温箱中进行循环测试,测试流程如下:1 C恒电流充电至4.2 V,4.2 V恒压充电至0.05 C;l C恒电流放电至2.5 V,直到容量衰减至初始容量的80%,停止测试。XRD测试采用日本理学株式会社生产的D/max-2500PC X射线衍射仪;采用日本技术株式会社生产的JSM-6360LV扫描电子显微镜进行循环前后样品断面的形貌观察实验;用美国Thermo Electron公司的XPS型电感耦合等离子体原子发射光谱仪进行循环后负极片上金属沉积量的测试。

2 结果与讨论

     2.1 循环数据分析

图1为NCM811/石墨实验软包电池常温及45 ℃1 C/1 C循环曲线。电池常温循环1000次后,容量保持率为87%;而45 ℃循环至1000次,容量保持率即衰减至80%。

图1   NCM811/石墨实验软包电池常温及45 1 C/1 C循环曲线

采用平均电压法[2]对常温循环衰减原因进行分析。电池的平均电压可以通过以下方式计算获得:首先通过电压对容量积分获得电池的充放电能量数据,然后将充放电总能量除以电池的总容量即可得到电池的平均电压。其中,V av,c为充电平均电压,V av,d为放电平均电压。RV为由内阻升高引起的电池平均电压变化,SV为因活性Li损失引起的平均电压变化。根据内阻和Li损失引起的电池充放电平均电压变化的特点,可将充放电过程中的平均电压变化用式(1)、(2)表达,其中充电过程中由于内阻和Li损失都会导致电池平均电压的升高,因此两者是相加的关系,但是在放电过程中由于Li损失会导致平均电压的升高,而内阻则会导致平均电压下降,因此两者是相减的关系。

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