快充锂离子电池技术研究：二（实验和结果分析）

一、电池制备过程

本实验采用功率型的NCM正极材料，表面包覆型石墨负极材料，厚度为20μm的隔膜，通过倍率型设计和叠片工艺，制备了容量为1.0Ah的快充型软包装锂离子电池，电池设计的比能量为205Wh/kg，可5C倍率快速充电，并对电池的充放电性能、倍率性能和循环性能等进行试验研究。

1.1 原材料

以NCM/石墨为研究体系，采用厚度为15μm的铝箔作为正极集流体，采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体，厚度为20μm的聚丙烯/聚乙烯复合膜作为隔膜，电极制造过程中正极所用的黏结剂为聚偏二氟乙烯PVDF，负极为羧甲基纤维素CMC和水系丁苯橡胶SBR。

1.2 正极极片制备

将一定比例的PVDF和N-甲基吡咯烷酮NMP放置于浆料搅拌机中进行混合，待搅拌均匀后，依次加入一定比例的气相生长碳纤维VGCF、导电炭黑Super P和NCM。待混合均匀后，将浆料涂布到铝箔上，经过真空干燥后，将极片按一定的压实密度进行碾压、冲切，最终得到正极极片。

1.3 负极极片制备

将一定比例的CMC和蒸馏水放置于浆料搅拌机中进行混合，待搅拌均匀后，依次加入一定比例的SP和石墨。待浆料混合均匀后，加入一定黏度的SBR，继续混合一段时间，将浆料涂布到铜箔上。经过真空干燥后，将极片按一定的压实密度进行碾压、冲切，得到负极片。

压实密度的大小会影响电极的孔隙率，进一步影响Li+在电极中的迁移速率，最终导致充电速率的差异。本项目中为了降低压实密度对电池性能的影响，正负极材料均采取厂家推荐的压实密度。

2.4 电池制备

将正极极片，隔膜和负极极片以Z型的方式进行叠片组装成电芯，外壳采用铝塑膜进行包装。注入一定量的电解液，将电池密封好。搁置一段时间后，对电池进行测试。

2 仿真试验及结果分析

2.1 电池充放电性能研究

常温下（25±3℃），将化成后的电池进行0.1C小电流充放电，后以0.5C进行分容。电池0.1C充电容量为1308mAh，首次放电容量为1169mAh，首次效率为88%左右。0.5C分容容量为1.1Ah，电池比能量为205Wh/kg。电池0.5C分容时的充放电曲线如图2所示。

2.2 电池不同倍率充放电研究

为了考察电池的快充特性，常温下（25±3℃），将化成后的电池进行倍率充放电，充放电倍率分别是1C/1C、3C/3C、4C/4C和5C/5C（为了考察电池是否可以大于3C充电，选择了4C和5C），其中1C 充放电机制如下，其余倍率类似：

1）以1C（1A）恒流充电至4.2V，转恒压4.2V至电流小于0.05C；

2）搁置30min；

3）以1C（1A）恒流放电至2.75V。

测试的倍率曲线如图3所示。由图3可知，电池1C/1C、3C/3C、4C/4C和5C/5C充放电的容量保持率分别为100%、95%、94%和93%，具体数据见表2。

同时，通过热敏电阻采集电池表面的温度，电池由1~5 C倍率放电末期温升为5~12℃。恒流比是评判电池快充特性的一个重要指标，分析可知，恒流比越高，电池在快充过程产生的极化越小，快充性能越优越。通过测试可知，电池不同倍率恒流比分别为95.7%、89.9%、87.3%和83.8%，该指标均在80%以上 ，说明其具有较好的快充特性。

2.3 隔膜对电池快充性能的影响分析

为了考察隔膜对电池倍率性能的影响，常温下（25±3℃），使用基础隔膜和涂有陶瓷层的隔膜分别制作2种电池，分别对2种电池进行倍率充放电测试，测试结果如图4所示。

由图4可知，在数值方面，陶瓷隔膜在不同倍率充放电的容量保持率均比普通隔膜高，同时，对比充放电倍率提升后容量下降的趋势来看，普通隔膜的下降趋势要比陶瓷隔膜大。两者均说明了陶瓷隔膜的倍率性能要比普通隔膜好。

对使用的隔膜厚度、透气度等方面进行分析，陶瓷隔膜和普通隔膜物理特性的对比，见表3。由表3可知，陶瓷隔膜的厚度和透气度均比普通隔膜小。通过对锂离子电池的充放电机理分析可知，影响电池倍率的主要因素为Li+迁移路径和迁移速率，迁移路径越短，迁移速率越快，则电池的倍率充放电性能越优越。

陶瓷隔膜的厚度较小，离子迁移路径较短，有利于电池倍率性能的提升；普通隔膜的透气度较高，离子穿过隔膜的迁移速率较快，有利于倍率性能的提升。通过对比2种隔膜制作电池可知，隔膜厚度对电池倍率性能影响更大。

2.4 电池循环性能研究

为考察电池的循环性能，常温下（25±3℃），电池不采用任何夹板进行夹持的条件下，对电池进行倍率充放电循环。3C循环充放电步骤：常温下，电池以3C（3A）恒流充电至4.2V，转4.2V恒压充电至电流小于0.05C；搁置30min；电池以3C（3A）恒流放电至2.75V；搁置30min；按照前面步骤循环1000次。

循环结果放电容量曲线如图5所示，电池充放电循环1000次后，容量保持率为86%左右，表明该快充电池具有较好的循环稳定性，同时在快充条件下，整个电池体系具有较高的稳定性。

2.5 电极界面特性分析研究

为了考察电极在快速充放电后的极片表面变化，在具有氩气保护的手头套箱中将不同倍率充满电的电池进行解剖，电池5C充满电后解剖结果，如图6所示。

由图6可知，解剖后，电解液处于充裕态，有部分电解液残留于铝塑膜内，整个电芯处于浸润态。正极极片表面干净光滑，无异物。负极极片处于光亮的金黄色，外圈深色为比正极多出的部分，负极表面同样处于光滑状态，无明显金属锂沉积迹象。表明了快充结束后，正负极表面界面稳定性良好，未有多余产物产生。