涂炭铝箔对高能量密度LiFePO4动力电池的影响.docxVIP

摘要?探究不同涂炭层的涂炭铝箔对高能量密度磷酸铁锂(LiFePO4)动力电池的影响，以石墨+炭黑(GC)和炭黑(C)两种涂炭体系的涂炭铝箔制作的磷酸铁锂软包电池作为研究对象，评估了两种不同涂炭层对锂离子电池电化学性能的影响。物性对比结果显示，GC方案外观为深灰色，石墨与炭黑复合后具有大孔径的蓬松状结构，而C方案外观为黑色，由纳米级炭黑颗粒组成，呈现小孔径疏松状结构。结果显示GC复合涂炭层的黏结力为炭黑涂层的1.18倍。电化学性能结果表明，两种方案的首次库仑效率和放电平台一致性高，而GC方案的电荷转移阻抗更小。GC方案复合涂炭层更有利于提高电池的常温和高温循环性能，而C方案炭黑涂炭层可改善电池的大倍率和低温性能。

关键词?锂离子电池；磷酸铁锂；涂炭铝箔

随着锂离子电池高新企业与科研院所的科学技术快速发展，我国锂离子动力电池产业不断创新和进步。电动乘用车和商用车市场追求更长续航里程、使用寿命和快速充电给动力电池企业提出高能量密度、长循环寿命以及超级快充的要求。目前锂离子动力电池体系主要分为两大类，磷酸铁锂(LiFePO4/LFP)和三元材料(镍钴锰NCM、镍钴铝NCA)。LiFePO4正极材料不仅具有超长的循环性能和稳定的电压平台，安全性能还优异，由于这些突出的优点，磷酸铁锂电池占据了大部分市场份额。然而，LiFePO4正极活性材料本征电导率和电子导电性较低，低温性能较差，比表面积大，材料颗粒小，所以在电池设计中若将LiFePO4应用到能量型或功率型等电池体系中，需要在材料自身和电极工艺上做出合理的设计和优化。由于LiFePO4材料自身的物性缺陷，导致极片制作过程中黏结力差，导电性差，造成电池容量低等问题，因此涂炭铝箔受到LiFePO4动力电池的青睐，这是改善材料性能，提升电池制造工艺，优化电池综合性能的解决方法之一。LiFePO4涂布工艺中使用涂炭铝箔可以增加材料的浸润性能，改善正极材料与集流体接触界面的黏结性，使活性物质与集流体间形成良好的导电网络，增加离子传输能力，降低极化内阻，改善低温性能，提高电池一致性。Wang等研究炭黑/石墨烯改性铝箔与常规铝箔对比发现，改性铝箔在倍率、内阻方面展现出优秀的电化学性能，复合涂层通过增加接触面积，增强了电极材料和集流体之间的附着力，改善离子传输效率，而且可以在长循环过程中抑制铝箔的腐蚀。开发了一种涂炭铝箔，可以大幅度提升LiFePO4电池的电化学性能，5C倍率下比容量为80mAh/g，2C循环200次后容量保持率为60%，而普通铝箔则表现出较差的循环性能。除此之外，目前报道涂炭铝箔的文献比较少，对于涂炭铝箔仍然停留在与基箔之间的对比、涂层厚度的比较，对涂炭层体系的报道极少，还需要进行深入研究。本工作系统性研究了不同涂炭层体系在高能量密度LiFePO4动力电池中的应用，通过实验探索不同涂炭层体系的物性关系，研究涂炭层在高能量密度体系下对电池电化学性能的作用。

1实验材料和方法

1.1材料

实验设计采用本公司研发的能量密度≥178Wh/kg的磷酸铁锂动力体系，正负极主料使用相同的磷酸铁锂(LiFePO4)和人造石墨材料，控制均浆和涂覆参数相同，实验变量为两种(13+2)μm涂炭铝箔，按照本公司实验工艺制备得到正负极极片，获得两种涂炭铝箔方案分别记为GC和C，将正极、隔膜和负极以叠片工艺制备软包电池，所用隔膜为(9+3)单面陶瓷PE隔膜，陶瓷对正极，制备额定容量为2Ah的软包LiFePO4电池。

1.2材料表征

扫描电镜SEM(日本JEOL7600F型)观察不同涂炭层体系的结构和形貌；万能拉力机(常州ZT535型)进行极片剥离强度测试，使用3M胶带，测试速度300mm/min，宽度42mm，压辊质量(2000±100)g。

1.3电化学测试

实验电池用美国Arbin电池测试系统15A量程对软包电池进行充放电测试。化成测试：0.2C恒流恒压充电至3.65V，0.05C截止，0.2C放电至2.5V。循环测试：1C(2A)恒流充电至3.65V，恒压充电至0.05C截止，将电池充满电后，静置30min，1C放电至2.5V截止，工作电压为2.50～3.65V。倍率测试：0.5C恒流恒压充电至3.65V，不同倍率放电至2.5V。高低温测试：1C恒流恒压充电至3.65V，0.05C截止，1C放电至2.5V。常温循环均在25℃环境中进行，60℃循环和高低温测试在高低温试验箱中进行。电化学交流阻抗(EIS)采用美国Reference3000型电化学工作站测试，频率10-2～104?Hz，振幅为5mV。

2结果与讨论

2.1不同涂炭层体系的物性

为了考察两种涂炭层体系的箔材，要求实验单一变量，涂炭箔厚度、铝箔面密度、涂层面密度一致