磷酸鐵鋰材料在動力鋰離子電池中的應(yīng)用_圖文

1、876收稿日期:2009-07-22作者簡介:楊凱(1982,男,天津市人,助理工程師,主要研究方向?yàn)殇囯x子電池。Biography:YANG Kai(1982,male,assistant engineer.磷酸鐵鋰材料在動力鋰離子電池中的應(yīng)用楊凱,劉興江(天津電源研究所物理與化學(xué)電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300381摘要:鋰離子電池因其有較高的電壓和能量密度,被廣泛應(yīng)用于HEV 、PHEV 和電動工具領(lǐng)域。使用經(jīng)過碳包覆方法處理的磷酸鐵鋰(LiFePO 4材料來制備軟包裝電池,其高倍率放電性能、高低溫性能和循環(huán)性能測試結(jié)果表明,該材料完全可以滿足動力電池的需要并得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:磷酸鐵鋰;

2、動力電池;鋰離子電池中圖分類號:TM 912.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1002-087X(200910-0876-03Investigation of LiFePO 4cathode material for power lithium-ionbatteriesYANG Kai ,LIU Xing-jiang(Tianjin Institute of Power Source,Tianjin 300381,ChinaAbstract:Lithium ion battery (LIBis a promising candidate as energy storage and power out

3、put in HEV,PHEV and power tools,because of its high voltage and high energy density.The electric conductivity of LiFePO 4can beimproved by the method of carbon coating.The batteries with LiFePO 4cathode have been prepared.The results show that rate ability,discharging ability at different temperatur

4、e and cycle ability are good enough to meet therequirements of power lithium-ion battery.Key words:LiFePO 4;power lithium-ion battery;lithium ion battery 近年來,為應(yīng)對汽車工業(yè)迅猛發(fā)展帶來的諸如環(huán)境污染、石油資源急劇消耗等負(fù)面影響1,各國都在積極開展采用清潔能源的電動汽車EV 以及混合動力電動車HEV 的研究,并將其作為今后汽車工業(yè)發(fā)展的必然方向2。鋰離子電池作為未來電動汽車最主要的候選動力電源,具有成本低廉、性能優(yōu)異的特點(diǎn),成為研究的主要目

5、標(biāo)3。具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰是一種應(yīng)用前景十分廣闊的鋰離子蓄電池正極材料。LiFePO 4的理論比容量為170mAh/g ,相對于鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定放電平臺為3.43.5V ,且具有原料資源豐富、價(jià)格便宜、無毒、環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)點(diǎn)4。但是磷酸鐵鋰材料本身的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率并不高,這就使得其在動力鋰離子電池領(lǐng)域的發(fā)展受到了阻力。我們使用經(jīng)過碳包覆處理之后的磷酸鐵鋰材料作為電池正極,組裝2Ah 的功率型軟包裝電池,并對其進(jìn)行電性能的測試。1實(shí)驗(yàn)1.1電池制備本實(shí)驗(yàn)的測試電池為軟包裝電池,容量2Ah 。正極材料為C-LiFePO 4;負(fù)極材料為MCMB ;隔膜為Cellguard 復(fù)合膜

6、;電解液為1mol/L LiPF 6的EC/DEC/DMC(體積比為111的混合液。1.2性能測試方法本實(shí)驗(yàn)做了兩個不同倍率下的循環(huán)實(shí)驗(yàn),即3C 循環(huán)和5C 循環(huán)。充電條件均為1C 充電,充放電電壓范圍為2.53.6V 。2結(jié)果與討論2.1倍率放電性能從圖1中可以看到,這種電池具有良好的高倍率放電性能。相對于1C 放電容量,其20C 放電容量可達(dá)85%;50C 放電容量也可以達(dá)到15%。這說明,雖然磷酸鐵鋰材料本身的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率并不高,但是經(jīng)過碳包覆處理之后,其電導(dǎo)率明顯提高,可以滿足高功率電池的要求。 另外,由于是動力用電池,所以電極均采用了薄電極結(jié)研究與設(shè)計(jì)構(gòu),這樣可以減小鋰離子

7、由電極內(nèi)部遷移到電極表面的距離,從而減小內(nèi)阻,提高倍率性能。2.2高低溫性能從圖2中可以看出,隨著溫度的降低,電解液電導(dǎo)率降低而導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大,電壓平臺逐漸降低,-20時(shí),電壓平臺僅為2.8V,放電容量也僅為常溫時(shí)的53%。當(dāng)溫度升高至50時(shí),電壓平臺只是略有升高,但放電容量卻達(dá)到了常溫的122%。這可能是由于磷酸鐵鋰材料離子電導(dǎo)率提高而引起的。本實(shí)驗(yàn)還針對不同溫度,進(jìn)行了交流阻抗測試,測試結(jié)果如圖3所示。從圖中也可以看出,隨著溫度的降低,反應(yīng)阻抗不斷增大,這必然導(dǎo)致電池內(nèi)阻的增大和放電容量的下降,這與放電曲線是相吻合的。在反應(yīng)阻抗增大過程中,我們認(rèn)為這可能主要是由于正極的反應(yīng)阻抗增大所造成

8、的。2.3循環(huán)性能由圖4可以看出,兩只電池經(jīng)過1000次循環(huán)之后,容量保持率都在95%以上。而在經(jīng)過了3000次循環(huán)之后,也仍具有較高的容量保持率。5C循環(huán)和3C循環(huán)的容量保持率都為76%左右。這說明,磷酸鐵鋰材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)在每做完100次循環(huán)之后,都會對電池進(jìn)行滿電態(tài)交流阻抗測試。圖5和圖6為兩個循環(huán)的初始、1000次、2000次和3000次循環(huán)的阻抗圖。從圖中可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,阻抗圖不斷向右側(cè)偏移,但圓弧變化不大。這說明電池的歐姆阻抗在不斷增加,但電化學(xué)阻抗卻基本保持不變。從這里可以看出,歐姆阻抗的增加可能是循環(huán)性能下降的一個主要原因。造成這種現(xiàn)象可能跟軟包裝

9、電池的自身結(jié)構(gòu)有關(guān)系。電池在充放電過程中都會有氣體產(chǎn)生,隨著氣體的 No.10研究與設(shè) 計(jì)877878聚集,軟包裝電池不可避免的會發(fā)生脹氣現(xiàn)象,這就會使原本緊貼在一起的電極之間產(chǎn)生縫隙,從而增加了歐姆阻抗。3結(jié)論使用經(jīng)碳包覆法得到的磷酸鐵鋰材料為正極活性物質(zhì)、MCMB 為負(fù)極活性物質(zhì)的電池,其在倍率放電、高低溫性能和循環(huán)壽命等方面都表現(xiàn)優(yōu)異,證明了磷酸鐵鋰材料可以在動力電池領(lǐng)域發(fā)揮本領(lǐng)。所以,只要對電極、電池等加以科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和不斷的改進(jìn),磷酸鐵鋰材料一定可以在動力電池領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1魏學(xué)哲,孫澤昌,田佳卿.鋰離子動力電池參數(shù)辨識與狀態(tài)估計(jì)J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)院,20

10、08,36(2:231-235.2胡信國.動力電池進(jìn)展J.電池工業(yè),2007,12(2:113-118.3張賓,林成濤,陳全世.動力鋰離子電池離散特性分析與建模J.電池工業(yè),2008,13:103-108.4胡國榮,童匯,張新龍.磷酸鐵鋰正極材料制備與電性能研究J.電源技術(shù),2007,31(3:233-235.能的影響。結(jié)果表明,該催化劑600活化后在活性炭表面負(fù)載更加均勻,無結(jié)晶現(xiàn)象;當(dāng)Fe (的載量為6%時(shí),TDM-NPPFe(在活性碳表面達(dá)到單層負(fù)載。所以600活化的6%Fe(載量的催化劑(Cat max 催化活性最好。把Cat max 與E-Tek 公司的Pt/C 30%做了比較,Ca

11、t max 的催化氧還原電子轉(zhuǎn)移數(shù)與Pt/C 相近,即氧還原過程為4e 還原過程;耐甲醇測試表明TDMNPPFe(催化劑具有很好的耐甲醇性能。參考文獻(xiàn):1KIM H,SHIN S,PARK Y,et al.Determination of DMFC deteriora-tion during long-term operationJ.J Power Sources,2006,160(1:440-445.2RALPH T R.Proton exchange membrane fuel cells-Progress in costreduction of the key componentsJ.P

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