极耳对锂离子电池倍率性能的影响

极耳对锂离子电池倍率性能的影响
作者：侯敏1 黄睿2 高蕾2 王路2
（1.上海航天电源科技有限责任公司，上海 201206；
2. 浙江南都能源科技有限公司，浙江杭州 310000）
摘要：研究了负极耳材质、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。

结果表明，2Ah电池采用15mm铜镀镍负极耳，能够有效改善电池的高倍率放电性能，电池最大放电倍率能达到30C，放电曲线平滑；同时电池具有良好的倍率循环性能，25C倍率循环200周后的放电容量仍保持初始容量的78%。

关键词：锂离子电池；高倍率放电；铜镀镍负极耳
近年来，随着航模、电动工具和电动玩具的快速发展，对锂离子电池的倍率放电性能要求也越来越高，但目前商品化的锂离子电池很难实现20C倍率以上的持续放电，其主要原因是电池在大倍率放电时，极耳发热严重，电池整体温度过高，使得电池容易热失控，从而导致电池倍率放电性能和循环性能变差。

为了得到倍率放电性能好且安全可靠的锂离子电池，在大电流放电时，一方面要尽量避免电池产生大量的热，另一方面要提高电池的散热速率，前者的改善方法可从正负极材料、电解液及正、负极极片设计入手，而后者可通过优化电池结构来提高电池的散热速率，从而提高电池的安全性[1-3]。

极耳是电池与外界能量传递的载体，所以电池大倍率放电时，提高极耳的电导率能够在放电初期有效改善电池的倍率放电性能。

常规的锂离子电池负极耳采用镍极耳，其电导率较差，电导率为140000S/cm，正极耳采用铝极耳，其电导率为369000 S/cm。

在高倍率放电时，由于负极耳的电导率较低，导致电池表面温度过高，从而影响电池的高倍率放电性能。

而铜镀镍负极耳具有优良的导电性能，其电导率接近纯铜的电导率，约为584000 S/cm[4]。

因此本文在现有高倍率体系的基础上，以铜镀镍负极极耳为研究对象，研究了极耳材质、尺寸大小及极耳引出方式对锂离子电池的倍率放电性能和倍率循环性能的影响。

1 实验
1.1电池的制备及设计
将正极活性物质LiCoO2、超导炭黑SP和导电石墨KS6混合，以PVDF作为粘结剂配制成正极浆料。

将负极活性物质MCMB和超导炭黑SP混合，以PVDF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，制成超薄、多孔隙的正极片和负极片。

按常规锂离子电池的制备方法，将正、负极极片采用叠片结构制备成额定容量为2Ah的506680型锂离子电池。

实验电池的极耳设计见表1。

表1 实验电池的极耳设计
1.2 主要测试仪器
采用BS-9088K-3A锂离子电池自动检测装置（广州产）对电池进行化成和分容；采用BK-7024L/60可充电电池检测设备（广州产）对电池进行倍率放电性能的检测；采用热电偶检测倍率放电时的电池表面温度。

2 结果与讨论
2.1负极耳材质及尺寸对电池倍率放电性能的影响
在高倍率放电条件下，极耳尺寸的选择不仅由电池的型号决定，而且也取决于电池的最大放电电流。

本文通过改变负极耳的材质及尺寸大小，研究负极耳对电池20C倍率放电性能及电池表面温度的影响。

将ND-1、ND-2和ND-3电池以20C倍率恒流放电至2.75V，电池倍率放电曲线见图1，在倍率放电过程中电池表面的温度变化曲线见图2。

由图1可见，电池放电初始电压的比较为：ND-1>ND-2>ND-3，ND-1电池放电电压平台高，放电曲线平滑，且放电初始电压较高，而ND-2电池和ND-3电池分别在3.15V和3.12V出现了电压峰，电压峰的出现是因为在高倍率放电过程下，电池内部各区域的电极反应是极不平衡的。

在放电初期，极耳附近区域的电阻较小，电流密度较大，电化学极化较大，所以曲线上出现了电压峰，在放电后期，靠近极耳区域的容量耗尽，而远离极耳区域的部分温度上升比较缓慢，从而会出现电压回升的现象[5]。

通过对电池ND-1与ND-3倍率放电曲线的比较可见，10mm宽的极耳在40A放电时，极耳附近区域的电化学极化较大，从而影响了电池的倍率放电性能，这说明采用较宽尺寸的极耳有利于改善电池的倍率放电性能。

通过对比图1中ND-1 与ND-2倍率放电曲线可见，相同尺寸不同材质的极耳同样会对电池的倍率放电性能有很大影响，负极耳采用铜镀镍材料的电池有较好的倍率放电性能。

通过研究电池表面温度随放电容量变化曲线，由图2可见，ND-1电池的表面温度比ND-2电池降低10℃左右，这是因为ND-2电池采用的镍负极耳电导率较差，在大倍率放电过程中，靠近负极耳区域的温度最高，因此这部分区域产生大量的焦耳热，导致温度上升过快，而负极耳采用电导率好的铜镀镍材料，能够有效降低极耳区域的电化学极化，减缓了电池表面温度的上升，因而改善了电池的安全性能。

以上实验结果表明2Ah电池采用15mm铜镀镍负极耳不仅具有良好的倍率放电性能，而且具有较好的安全可靠性。

2.2极耳引出方式对电池倍率放电性能的影响
在高倍率放电条件下，不同的电池结构，极耳的设计方法也不同。

卷绕结构的锂离子电池可在电极极片上多焊接几个极耳，这样在高倍率放电初期，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，从而缓解单极耳情况下的剧烈反应。

而叠片结构的锂离子电池可在电极极片反向各设计一个极耳，叠片时极耳从电池反向引出，每侧各有一个正极耳和一个负极耳，然后再将正极极耳之间电连接，负极极耳之间电连接，从而达到大电流放电时，电流分布均匀的目的[6]。

对于固定型号尺寸的卷绕结构锂离子电池，采用多极耳会降低电池的额定容量，而且极耳数量增加的话，会增加铝塑膜的热封难度，铝塑膜与极耳之间容易出现预封不良现象，从而导致电池产生短路、胀气和漏液的隐患。

对于叠片结构锂离子电池，极耳也只能从反向再引出一对，它同样也存在铝塑膜热封困难的问题[7]。

在电池极耳设计时，一般采用一正一负的极耳设计方法，然而对于长宽比例大的电池型号，如果采用同侧出极耳的方式，极耳的宽度尺寸将会受到很大的限制，从而不能满足电池最大放电电流的要求，此时极耳的引出方式，可采用正、负极耳反向引出。

通过改变正、负极极耳的引出方式来研究电池20C倍率放电性能。

将ND-1和ND-4电池20C倍率恒流放电至2.75V，得到电池20C倍率放电曲线图3。

由图3可见，正、负极极耳无论采用反向引出方式，还是采用同侧引出方式，对电池的倍率放电平台和倍率放电性能影响不大。

2.3铜镀镍负极耳对电池倍率放电性能的影响
目前大部分研究者通过对电极设计、正负极材料的选择、正负极和电解液配方的优化来提高电池的倍率放电性能。

程建聪等人对各种影响电池倍率性能的因素进行了优化组合，制成了额定容量为1100mAh
的电池，该电池在20C倍率放电时，电池表面最高温度为75℃，而23 C倍率放电时，电池表面最高温度为83℃[8]。

这说明采用以上改善措施虽然能够提高电池的倍率放电性能，但是不能解决电池发热严重的问题，所以要提高电池的散热速率，还需要从电池设计方面进行研究。

通过上述实验，认为ND-1锂离子电池的极耳设计为最佳。

现以它为研究对象，对电池的倍率放电性能及倍率放电时电池表面的温度变化进行全面的研究，其结果见图4和图5。

由图4可见，电池在20C、25C和30C倍率放电时，电池表面最高温度依次为61℃、67℃和75℃。

而电池外表面的温度变化是由电池内部的发热状况引起的，负极采用铜镀镍极耳能有效提高电池的散热速率，从而缓解电池表面的发热严重现象。

由图5可见，随着放电倍率的提高，电池的放电平台逐渐降低，但是倍率放电容量减少幅度较小，而且在30C倍率放电时电池也没有出现胀气现象，这说明电池具有良好的倍率放电性能。

分析认为在高倍率放电时，采用铜镀镍负极耳，能够有效提高电池的散热速率，从而改善电池的倍率放电性能。

另外，随着放电倍率的提高，锂离子在电解液中的传导速率和在极片中的扩散速率也会增加，从而电池的高倍率放电性能也会提高。

图6是ND-1电池20C和25C倍率放电的循环寿命图，其充放电制度为：1C恒流充电至4.2V，恒压充电至电流小于等于0.05C，然后恒流20C和25C倍率放电至2.75V。

由图6可见，随着放电倍率的提高，电池的容量衰减率增加。

ND-1电池20C倍率循环300周，容量保持率为80%，25C倍率循环200周，容量保持率为78%。

该电池具有良好的高倍率循环性能，能够满足高倍率放电环境的需要。

3 结论
本文通过一系列实验研究，结果表明改变电池内部的极耳设计能够有效改善锂离子电池的高倍率放电性能。

负极采用铜镀镍极耳，在高倍率放电过程中，能有效降低电池的极化，改善电池的倍率放电性能，降低电池表面的温度，从而进一步改善电池的倍率循环寿命。

通过实验得到了一种采用15mm宽铜镀镍负极耳的2Ah电池，该电池具有良好的倍率放电性能，且安全可靠。

该电池能够实现30C倍率放电，放电曲线平滑，且电池表面温度没有明显的升高；经过300次循环后20C倍率放电容量仍能保持初始容量的80%；经过200次循环后25C倍率放电容量也能保持初始容量的78%，这表明该电池倍率循环性能良好。

参考文献：
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[4] 周显茂.高功率铝塑膜软包装锂离子电池[P]. CN:101162777A, 200710163888.0, 2008.
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[8] 程建聪, 陈性保, 董全峰. 聚合物锂离子电池的高倍率放电性能研究[J]. 电池, 2007, 37(5): 329-332.。