鉅大LARGE | 點擊量：284次 | 2023年11月06日
剖析高鎳鋰電池高比能優(yōu)勢
鋰離子電池具有比能量高，使用壽命長的優(yōu)點，目前已成為衛(wèi)星用儲能電池的首選。商用的18650型鋰離子電池由于技術(shù)成熟、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、價格低廉，其在低成本微衛(wèi)星領(lǐng)域已得到一定的應(yīng)用。
隨著鋰離子技術(shù)的發(fā)展，高比能電池材料的開發(fā)向著高電壓材料、高鎳三元、5V高電壓材料等方向發(fā)展。其中，高鎳NCA材料具有比容量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)點，成為高比能長壽命鋰離子電池開發(fā)的重點材料之一。本文采用先進(jìn)的經(jīng)過包覆處理的高密度NCA材料，并通過對電極面密度、隔膜、電解液等設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，電池結(jié)構(gòu)密封性的優(yōu)化，提高電池性能，制備了18650型高比能長壽命鋰離子電池。
01、實驗
1.1電池制作
分別將正、負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑以一定比例混合后，加入一定的溶劑攪拌均勻，正負(fù)極漿料分別涂覆到鋁箔、銅箔上，電極碾壓、分切后，烘干，卷繞，裝配，焊接，注液，封口，制備成18650圓柱型鋰離子電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.2電池性能測試
倍率性能測試：在室溫環(huán)境下，電池以0.2C恒流恒壓充電到4.2V，0.01C截止，電池分別以0.2C、0.5C、1C放電到2.75V，記錄電池容量。
加速循環(huán)壽命測試：在常溫下，電池在4.20～2.75V電壓范圍，以0.5C/0.5C100%放電深度進(jìn)行充放電循環(huán)，記錄電池容量。
LEO軌道壽命測試：在常溫下，以0.5C恒流恒壓充電到4.2V，0.01C截止，以0.5C放電36min，然后電池以0.5C恒流恒壓充電至4.20V后轉(zhuǎn)0.5C電流放電，重復(fù)上述充放電循環(huán)，記錄截止電壓。
空間環(huán)境適應(yīng)性：參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對電池進(jìn)行密封性、穩(wěn)態(tài)加速、隨機(jī)振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。
02、結(jié)果與討論
2.1正極材料的選擇
選擇了三種不同型號的NCA材料制備18650實驗電池，進(jìn)行了電性能測試，具體實驗結(jié)果見表1。
表1不同型號NCA電性能測試結(jié)果
從表1的數(shù)據(jù)可以看出，三種高密度NCA材料中，綜合比容量發(fā)揮，循環(huán)壽命兩方面的因素，材料3#更適合作為高比能長壽命鋰離子電池的正極材料。
2.2電化學(xué)參數(shù)的優(yōu)化
2.2.1電極面密度的優(yōu)化
對A、B兩種面密度電池進(jìn)行倍率與循環(huán)壽命的對比，優(yōu)化電池的面密度設(shè)計參數(shù)。A、B兩種電池的倍率測試結(jié)果見表2。A、B兩種電池的加速壽命測試曲線見圖1。
表2電池的倍率放電數(shù)據(jù)
圖1A、B兩種面密度電池循環(huán)測試曲線
從表2倍率測試數(shù)據(jù)可以看出，A、B兩種面密度設(shè)計的電池在0.5C、1C倍率條件下沒有差異。從圖1的循環(huán)曲線看，在循環(huán)到600次時，電池A的容量保持率為91.5%，電池B的容量保持率為89.5%，低面密度A具有更好的循環(huán)性能，但兩種面密度電池的循環(huán)衰降趨勢基本相同。目前低軌衛(wèi)星的放電電流一般在1C以下，所以對于高比能電池，在保證電池性能的前提下，選擇高面密度的電極設(shè)計。
2.2.2隔膜的優(yōu)化
對實驗電池進(jìn)行電性能測試，測試結(jié)果見表3。
表3不同隔膜電性能測試數(shù)據(jù)
從表3中T、P電池(T為陶瓷涂層隔膜電池，P為PP／PE復(fù)合隔膜電池)的測試數(shù)據(jù)可以看出，在倍率性能上，兩種隔膜的倍率性能基本相同，但陶瓷涂層隔膜具有更好的循環(huán)壽命，一方面陶瓷隔膜比普通的PP/PE隔膜具有更好浸潤性，另一方面陶瓷涂層可以提高隔膜高電壓下的抗氧化能力，可以有效提高電池的循環(huán)壽命。
2.2.3電解液的優(yōu)化
對高比能長壽命電池來說，電解液與正負(fù)極的匹配性，浸潤性與穩(wěn)定性很大程度上決定了電池的性能。目前，電解液中常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰，通過對電解液溶劑配方與添加劑的調(diào)整，可以改善電極的浸潤性，SEI成膜的致密性與穩(wěn)定性，從而提高電池的性能[5-7]。J.R.Dahn等[8]討論了各種電解液添加劑對電池性能的影響，認(rèn)為要提高電池的循環(huán)性能，必須要添加電解液添加劑，使正負(fù)極形成鈍化膜，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，降低副反應(yīng)。
對采用了不同溶劑配方與添加劑的電解液實驗電池進(jìn)行性能測試，其加速循環(huán)壽命測試結(jié)果見圖2。
圖2不同電解液電池循環(huán)測試曲線
從加速循環(huán)壽命測試可知，03#電解液表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性，加速循環(huán)壽命測試500次時，容量保持率為93.6%。
2.3電性能及環(huán)境適應(yīng)性研究
2.3.1容量及倍率
通過正極材料的篩選與電化學(xué)參數(shù)的優(yōu)化，電池密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制備了空間用容量為2.852Ah的18650電池，電池的測試結(jié)果見表4。
表4電性能數(shù)據(jù)
由表4電池的測試數(shù)據(jù)可知，電池比能量可以達(dá)到252Wh/kg，對電池進(jìn)行倍率性能測試，電池0.5C放電容量為2.832Ah，容量保持率為99.3%，1C放電容量為2.826Ah，容量保持率為99.1%。這證明電池的倍率性能良好。
2.3.2LEO循環(huán)壽命
參照衛(wèi)星LEO軌道循環(huán)制度，對電池進(jìn)行地面模擬LEO軌道壽命評估，圖3為電池的LEO軌道壽命循環(huán)曲線。從圖中可以看出，電池在進(jìn)行了1.0萬次循環(huán)后，放電截止電壓仍然在3.7V以上，地面模擬壽命長達(dá)2年，循環(huán)性能良好。
圖3LEO軌道壽命循環(huán)曲線
2.3.3空間環(huán)境適應(yīng)性
參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對研制的電池進(jìn)行密封性測試，電池的漏率為1.4×10－10~2.1×10－10Pa?m3/s，漏氣率均小于1×10－7Pa?m3/s，檢測結(jié)果滿足要求。
參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對研制的電池進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加速、隨機(jī)振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。實驗過程中電池的電流及電壓均未發(fā)生突變，且實驗完成后電池?zé)o任何機(jī)械損傷，檢測結(jié)果滿足要求，本文不再展示放電曲線。
參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對研制的電池按照表5測試條件進(jìn)行熱真空實驗，圖4為電池在熱真空循環(huán)過程中首次低溫放電曲線與末次高溫充電曲線。
表5熱真空實驗條件
圖4熱真空首次低溫放電曲線與末次高溫充電曲線
如圖4所示電池在熱真空實驗過程中，充放電正常，實驗后，蓄電池?zé)o變形、無開裂、無漏液。滿足空間環(huán)境適應(yīng)性要求。
03、結(jié)論
通過對正極材料的選型優(yōu)化，電極面密度、隔膜、電解液等重要電化學(xué)參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化，電池密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制備了NCA體系2.852Ah18650電池，電池比能量達(dá)到252Wh/kg，1C倍率放電容量保持率為99.1%，地面模擬LEO軌道壽命長達(dá)2年以上，并且通過了《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》的環(huán)境適應(yīng)性實驗，可應(yīng)用于微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)，滿足商業(yè)航天發(fā)展對航天器產(chǎn)品提出的輕小型、低功耗、高可靠的要求。電源技術(shù)雜志
