锂离子电池高倍率放电性能研究

实业有限公司）。
内阻测试：
ＢＳ－ ＶＲ 电池内阻测试仪（ 广州擎天实业有限公司）。
２ 结果与讨论
２．１ 极耳对电池性能的影响
在高倍率放电的条件下，电池的放电电压曲线会出现电压
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
率放电条件下，高倍率放电初期电池内部就会有多个区域内阻
较小，电流密度较大，反应速度较快，从而缓和单极耳情况下的
剧烈反应。ຫໍສະໝຸດ Baidu实，当电极上焊接有多个极耳时，就相当于几个小
电池并联而形成了一个大电池，电池电压 Ｕ 不变，
Ｕ＝Ｕ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝…
（ １）
而大电池电阻 Ｒ 就由几个小电池电阻 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…等并联
研究与设计
双极耳电池正、负极分别有两片极耳叠合一起，采用加热
板粘结法封口，加热时两块极耳胶热熔为一体，热封效果好、外
观良好，铝塑膜无破损、裂纹等痕迹，电池测试未短路。
１．３ 主要测试仪器
化成设备：
ＢＳ－ ９０８８Ａ 锂离子电池自动检测装置（ 广州擎天实业有
限公司）。
充、放电测试：
ＢＫ－ ６００８Ａ／１０ 可充电电池性能检测设备（ 广州蓝奇电子
组成（ 如图 ３ 所示），近似表示为：
Ｒ＝ １／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３…＋ １／Ｒｎ）
（ ２）
Ｒ 必定小于 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒｎ…之中任何一个，如果电池只有
一个极耳，那么
Ｒ＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋…＋ Ｒｎ
（ ３）
结果是并联之后电池总内阻大大降低。在大电流放电情况
下，电池温度上升很快，点焊多个极耳的电池由于内阻较低，温
平衡的。高倍率放电的条件下，开始时电池极耳附近区域的电
阻较小，电流密度较大，因此这部分产生的热量比较大，温度升
高较快。在放电过程的后期，靠近极耳区域的容量耗尽，远离极
耳区域的部分如果温度上升比较缓慢时，会导致放电过程终止， 反之会出现电压上升的现象［５］。本文分析认为，在设计大电流放
电锂离子电池时可在电极极片上多焊接几个极耳，这样在高倍
２． Ｇｒｅａｔ Ｐｏｗｅｒ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｏ． Ｌｔｄ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１１４８３， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｏｎ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ． Ｂａｔｔｅｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｉｎｃｅｒｅｌｙ， ｔｈｅｎ ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ａｂｏｕｔ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｃａｍｅ ｆｏｒｔｈ． Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔ， ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｕｎｄ ａ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｔｈｉ－ ｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ， ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｈｉｇｈ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｆｌａｔ ｖｏｌｔａｇｅ， ｐｒｅｆｅｒａｂｌｅ ｃｙｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｈｅｎ ｄｉｓ－ ｃｈａｒｇｉｎｇ． Ａ ｒｕｌｅ ｏｎ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ， ａｎｄ ａ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ； ｈｉｇｈ ｒａｔｅ； ｄｉｓｃｈａｒｇｅ； ｌｅａｄ
研究与设计
锂离子电池高倍率放电性能研究
唐致远 １， 谭才渊 １， 陈玉红 １， 崔燕 １， 薛建军 ２ （１．天津大学 化工学院应用化学系， 天津 ３０００７２； ２．广州鹏辉电池有限公司， 广东 广州 ５１１４８３）
摘要：对锂离子电池高倍率放电性能进行了研究。发现电池设计对锂离子电池放电性能具有较大的影响，设计了一种新 型的锂离子电池的电极。研究了电极活性物质与导电剂、粘结剂的配比，电极片的面密度、压实密度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一种高倍率放电性能良好的锂离子电池，该电池放电容量高，放电平台平滑，平台 电压较高，循环性能较好，且电池放电时表面温度不高。分析锂离子电池高倍率放电循环曲线时发现了放电容量变化的 一个规律，给出了针对锂离子电池高倍率放电的一种充、放电制度。 关键词：锂离子电池；高倍率；放电；极耳 中图分类号：ＴＭ ９１２．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２００６）０５－０５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ
ＴＡＮＧ Ｚｈｉ－ｙｕａｎ１， ＴＡＮ Ｃａｉ－ｙｕａｎ１， ＣＨＥＮ Ｙｕ－ｈｏｎｇ１，ＣＵＩ Ｙａｎ１，ＸＵＥ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ２ （１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２， Ｃｈｉｎａ；
本研究结果表明改变导电剂与活性物质的配比量及极片 的面密度、压实密度对提高电池的高倍率放电性能有很大的帮 助。ａ 类电池每个电极上均采用双极耳，活性物质配比及电极 压实密度等参数均采用目前普通应用的锂离子电池的技术参 数（ 如普通手机锂离子电池）。本文经过反复实验确定的具体 改变方案如表 ２ 所示。通过改变方案，研制的 ｂ 类电池（ 此类 电池每个电极均采用双极耳）放电曲线如图 ５ 所示。电池的 ８ Ｃ 放电曲线已经呈现出非常好的形状，曲线放电平台平滑，５ Ｃ 放电时电池于 ３．４ Ｖ 截止电压下放电容量达到 ８００ ｍＡｈ 以上， 首次充电容量为 ９６４ ｍＡｈ，放电容量为 ９５５ ｍＡｈ，放电效率为 ９９．１％。８ Ｃ 放电 ３．２ Ｖ 截止电压下放电容量也达到 ８８０ ｍＡｈ 以上，首次充电容量为 ９５４ ｍＡｈ，放电容量为 ９４６ ｍＡｈ，放电效 率为 ９９．２ ％。两类电池 １００ 次循环的放电曲线如图 ６ 所示。由 图 ６ 可以看出 ａ 类电池随着循环次数的增加放电情况越来越 差，电压峰越来越明显，曲线杂乱，中值电压比较低。ｂ 类电池 放电曲线平滑，平台平坦，电压平台较高，多次循环容量衰减较 小，曲线密集集中。
５ Ｃ 放电
图 ３ 电池内阻（ Ｒ）示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
２００６．５ Ｖ ｏｌ．３０ Ｎ ｏ．５
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８ Ｃ 放电
图 ４ 两类电池不同倍率放电容量－ 电压曲线 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｅ ｆｏｒ ｔｗｏ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
当前，锂离子电池行业发展迅速，随着电子产品的发展，对 锂离子电池也提出了更高的要求。电动汽车市场展现出蓬勃的 发展势头［１￣４］，需要放电电流较大、功率较高的锂离子电池，许多 小型电器也要求能够高倍率放电，小电流放电锂离子电池已不 能完全满足市场的需求。虽然，氢镍电池高倍率放电研究发展 较早，但是其电压较低，质量比容量及体积比容量与锂离子电 池相比均较低，因此，在一些对电池电压、质量、体积等要求严 格的电器中，都对锂离子电池寄予厚望。
１ 实验
１．１ 电极制备
正极活性物质 ＬｉＣｏＯ２，与鳞片石墨、碳黑、乙炔黑混合，以 聚偏氟乙烯（ ＰＶＤＦ）作为粘结剂配制成浆料。负极活性材料为 石墨，添加乙炔黑，以羧甲基纤维素钠（ ＣＭＣ）为粘结剂，混合 制成浆料。将正、负极浆料分别涂布于铝箔、铜箔上，然后干燥 辊压制成正、负极片。电解液为 １．０ ｍｏｌ／Ｌ ＬｉＰＦ６／ 碳酸乙烯酯 （ＥＣ）－ 碳酸二甲酯（ＤＭＣ（） １∶１）（广州市天赐高新材料科技有 限公司），隔膜为聚丙烯微孔膜 （Ｃｅｌｇａｒｄ２４００），厚度为 ０．０２５ ｍｍ。
升有所缓和，电池表面温度降低。
如图 ４ 所示，电池以 ５ Ｃ 放电时，单极耳电池放电容量达 到 １ ０６０ ｍＡｈ 左右，双极耳电池的放电容量约为 １ ０３０ ｍＡｈ 左 右，比单极耳电池略低。但是，双极耳电池的初始放电电压较单 极耳电池高，放电平台不如单极耳电池平坦。分析认为，我们是 以一定型号的软包装锂离子电池为研究对象，增加了极片上的 极耳数量就必然增加了电池的厚度（ 由于极耳点焊于电极片 上会占用一部分电池的厚度），所以，对于固定型号尺寸的锂 离子电池，这种双极耳的电池相对来说容量会略有降低。因此， 双极耳电池比单极耳电池的放电容量低。电压平台下降较快并 不是因为双极耳电池电化学性能差而导致，而是由于增加了电 池的极耳，就必然增加了电池的厚度，减少了极片的长度，从而 减少了活性物质的使用量而导致。本文是以 ０６３４６５ 软包装锂 离子电池为研究对象，当电池型号变大、电池的尺寸变大时，由 于极耳数量引起的厚度增加会相对减小，此时单、双极耳电池 所用的活性物质量相当，电池容量也会差别不大，电池放电曲 线更加平滑。３８１５３０ 和 ０６３４６５ 型号的电池，分别采用单、双极 耳技术的容量变化如表 １ 所示，从表中可以看出，容量变化对 小型号电池的影响更大。综合分析认为增加了电池的极耳数量 确实能改善电池的高倍率放电性能，而且，尤其适合应用于大 型号、大尺寸的软包装电池。从电池的 ８ Ｃ 放电曲线我们可以 清晰的看到，在高倍率放电性能方面，双极耳电池确实比单极 耳电池具有无可比拟的优点。从电池的放电曲线可以看到，双 极耳电池的初始放电电压较高，放电曲线较平滑，只是放电容 量较低。另外从单极耳电池的放电曲线上可以发现，单极耳电
收稿日期：２００５－０８－２１ 作者简介：唐致远（１９４６—），男，安徽省人，教授， 博士生导师， 主要 研究方向为应用电化学。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＴＡＮＧ Ｚｈｉ－ｙｕａｎ（１９４６—），ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．
１．２ 电极及电池设计
以 ０６３４６５ 软包装液态锂离子电池为研究对象，制作两类 电池（： １）正、负极片分别焊接一个极耳（ 本文称为单极耳电 池）。（ ２）正、负极片分别焊接两个极耳（ 本文称为双极耳电 池）（。 如图 １ 所示）。单极耳和双极耳电池的封口处侧视图如 图 ２ 所示。
图 １ 双极耳电池电极片示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｐａｔｃｈ
ａ．极耳；ｂ．极耳胶
Ａ．极耳胶 １；ａ．极耳 １； Ｂ．极耳胶 ２；ｂ．极耳 ２
图 ２ 两种设计电池封口处侧视图
Ｆｉｇ．２ Ｓｉｄｅ ｖｉｅｗ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｅａｌ
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２００６．５ Ｖ ｏｌ．３０ Ｎ ｏ．５
研究发现，增加了电池的极耳数量确实有效的减小了电池 的内阻（ 对大型号电池，如 ０６３４６５ 明显），但是增加了极耳的 数量导致能够使用的电池的活性物质减少（ 如表 １ 所示）。最 终，我们确定在其它条件不变的情况下采用双极耳技术研究锂 离子电池的高倍率放电性能（ 本文称此类电池为 ａ 类电池）。
减少，电池容量减小。所以必须调整电极敷料的压实密度，减小 电极的电阻以利于电池大电流放电。
研究与设计
池放电时电压确实先降低较快，而后上升出现一个电压峰，而 双极耳电池的放电曲线上没有出现电压峰。因此本文认为增加 电池的极耳数量是改善锂离子电池高倍率放电性能的一个研 究方向。我们还可以在正负电极片上分别焊接 ３ 个极耳，只是 这样必然会增加铝塑膜的热封难度，容易加热过度，导致电池 短路漏液等问题。当然如果加热条件控制合适完全可以做到封 口美观、热封良好（ 我们成功的做过这方面实验，成品率较低， 对热封条件要求苛刻），只是所用极耳的数量及宽度尺寸与具 体电池的尺寸有关，具体型号的电池还应实验证明究竟应使用 多少数量、多大尺寸的极耳。