磷酸鐵鋰動力電池電解液改善及過程參數優化

現在鋰離子電池技術還有待進一步發展方能滿足電動車更高的應用需求，下一代鋰離子電池必須具備大容量、高比能量、長壽命、高安全性等特點，這就要求鋰離子電池要向高能量密度方向發展。

爲了尋找高能量密度材料，主要是通過提高材料的壓實密度和容量來實現。磷酸鐵鋰動力電池具有循環壽命長、安全性高、高溫穩定性好、價格低廉等優勢，正是由於其良好的安全性和綜合電化學性能成爲當前衆多電池公司和汽車製造公司關注的重點。

但磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，容量提升空間有限，因此，若要進一步提升磷酸鐵鋰動力電池的能量密度，提高材料的壓實密度是有效可行的方案之一。文章針對目前磷酸鐵鋰動力電池的發展現狀，考察高壓實密度條件下不同電解液配方對電池性能(容量、極片狀態、電池厚度、內阻)的影響及相應的工藝參數優化改善。

一、實驗過程

1.1 電池製作

以磷酸鐵鋰爲正極材料、石墨爲負極材料，與粘結劑、導電劑、溶劑按照一定比例混合成正負極漿料，然後分別均勻塗覆在鋁箔和銅箔表面上烘乾，經過碾壓、裁切、烘乾，製成實驗所需極片。極片經卷繞、裝配、注液、預處理、封口等，製作出方形磷酸鐵鋰動力電池，標稱容量爲20 Ah。

1.2 預化成流程

預化成流程見表1和表2。

1.3 測試設備

所有充放電及電性能測試均採用Arbin BT2000電池測試系統進行測試。

二、試驗結果與討論

本實驗主要考察高壓實正負極條件下電解液及過程參數對電池性能的影響。當極片壓實密度較高時，極片不易浸潤，因此需要改善電解液成分，降低粘度以提高極片浸潤性，同時，優化過程參數同樣有利於提高電池浸潤性，保證電池較好的電性能。

2.1 電解液改善

爲了提高電解液的浸潤性，考慮從降低碳酸乙烯酯(EC)含量和碳酸丙烯酯(PC)含量來降低電解液粘度，電解液改善方案如表3所示。方案1、方案2和方案3爲考察EC含量對電解液浸潤性和電池電化學性能的影響，方案4爲去掉PC後對電解液浸潤性的改善作用。

電池按照相同注液量注液後靜置12h，按照表1所示的預化成流程進行首次充電，預化成流程結束後將電池抽真空封口。封口後的電池進行化成，化成結束後電池處於滿電狀態，在乾燥間中將電池解剖，觀察負極片狀態，實驗結果見圖1，電池性能參數見表4。

圖1 不同電解液條件下極片狀態

從圖中可以看出，四種電解液相比，方案1條件下的極片出現大量的黑斑，有明顯的死區和析鋰狀況。方案2相比於方案1析鋰狀況有所緩解，但仍存在少量的死區。方案3的極片不存在析鋰狀況，且僅有少量死區斑點存在。而方案4的極片狀態良好，極片光滑、平展，沒有死區及析鋰狀況。與表3中的電解液方案相結合可以看出，當EC質量分數爲40%時，極片出現明顯的異常狀況，EC質量分數下降至35%，負極表面狀態即有明顯好轉，EC質量分數降至30%後，極片表面進一步改善。在方案3的基礎上去掉粘度較高的PC後，極片狀態非常理想。

四種電解液體系的電池首次放電容量、首次庫侖效率、內阻和厚度數據見表4，從表中數據可以看出，由於1#電解液方案極片浸潤性能較差，極片上存在大量的死區和析鋰，因此影響了電池的容量，實測電池容量僅爲19.15 Ah，與理論容量相比，相差較大。此外，也由於極片上存在的異物造成電池的首次庫侖效率較低，內阻和厚度均較大。2#和3#電解液體系條件下電池的各項性能相差較小，極片狀態最好的4#電解液體系電池的容量最高、首次庫侖效率最高，內阻較低，同時電池厚度也較薄。因此，從電解液的角度來看，4#電解液的浸潤效果最好，說明降低溶劑中粘度較高的組分質量分數對於極片浸潤性能的提升可以起到顯著的作用。

2.2 過程參數優化

考慮小電流預化成對於高壓實負極有一定的電解液浸潤改善作用，因此對比表1和表2兩種預化成流程對極片狀態的改善作用，電解液選用3#電解液體系進行實驗。排氣後將電池充滿電進行解剖觀察極片狀態，實驗結果見圖2，電池性能測試數據見表5。

圖2 改變預化成條件下極片狀態

從圖中可以明顯看出，增長小電流排氣時間可以有效改善極片死區狀況，同時兩種預化成流程處理後的電池容量從20.32Ah提升至20.45Ah，首次庫侖效率由90.50%提高至90.74%，而內阻則從2.8mΩ下降至2.78mΩ，厚度由24.33mm降低至24.30mm。由此可見，延長小電流預化成時間是一種有效改善極片狀態的方法。