毛国龙，赵珊珊，张新卫，陈益奎

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

一种功率型锂离子电池的研制

毛国龙，赵珊珊，张新卫，陈益奎

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

采用叠片式软包装电池的形式制备了两种15 Ah的高功率电池。对电池的倍率性能、功率性能以及安全性进行测试，结果显示电池比能量达到了170 Wh/kg，比功率达到了3 000 W/kg，具有良好的功率特性。

锂离子电池；高功率；比能量

锂离子电池作为一种高能绿色电源，正越来越深入到我们的工作、生活中[1]。随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池的研制逐渐向两个方向发展，一个是高比能量型，一个是高比功率型。电动工具、混合型动力汽车、水中兵器[2-3]以及定向能武器等设备，都对锂离子电池的高比功率性能提出了较高的要求。从国内外研究现状看，目前高功率锂离子电池的比能量在70～140 Wh/kg，在满足高功率输出的同时，能量密度偏低，随着新材料应用和设计水平、质量控制、结构设计和工艺水平等多方面的提高，高比能量、高比功率锂离子电池的研究会成为一个重要方向。本文旨在研制一款高比功率的锂离子电池，同时保证该产品还具有较高的比能量。

1 实验

1.1 材料选择

根据功率与能量密度的要求，正极选择小颗粒111型NCM三元材料作为活性物质，负极选择小颗粒天然石墨；为了提高正极的电子导电性，导电剂选择CNT与SFG-6混合的方式；隔膜选择了普通隔膜和陶瓷隔膜；电解液选用高功率型电解液。

1.2 软包装电池制作

分别将正、负极活性物质、导电剂和粘结剂以一定比例混合后，加入一定的溶剂搅拌均匀，采用喷涂设备，以间歇涂布方式将浆料分别涂到15 μm的铝箔和8 μm的铜箔上。其中正极涂布面密度为26 mg/cm2，压实密度3.0 mg/cm3；负极涂布面密度为12.6 mg/cm2，压实密度1.5 mg/cm3。然后采用冲切工艺将电极制成设计的尺寸，烘烤，制袋，叠片制成芯包，入袋，注液，陈化，化成。

预充化成完成后，电池基本参数如表1所示。

表1 电池基本参数

2 结果与讨论

2.1 倍率性能测试结果

测试条件：环境温度(25±5)℃，电池以15 A恒流充电到4.2 V，转恒压充电0.15 A截止；静置60min；分别以3C、5C、10C、20C放电到3.0 V，测试不同倍率下电池的容量保持率与温升，结果见表2～表3、图1～图4。

表2 A电池不同放电倍率下的性能参数

表3 B电池不同放电倍率下的性能参数

由表2中可以看出，A电池具有良好的倍率性能，在高倍率情况下还具有良好的容量保持率，在20C放电情况下，容量保持率达到91.2%，特别是从设备需求的能量角度分析，20C条件下的能量保持率达到了80%以上，满足设备需要。从图2中还可以看出，A电池温度的升高是相对缓慢的，放电最高温是在放电结束后几分钟内达到的，而且最高温度为57.2℃，显示出电池的内阻特性良好。

图1 A电池在不同放电倍率下的放电曲线

图2 A电池在不同放电倍率下的温度曲线

图3 B电池在不同放电倍率下的放电曲线

图4 B电池在不同放电倍率下的温度曲线

由B电池的倍率测试结果可以看出，与A电池相比，使用陶瓷隔膜后，电池的质量增加了约10 g，比能量稍低，且倍率性能有所下降，10C容量保持率由96.0%降低到92.8%，20C由91.2%降低到86.7%。尽管电池的最高温仍然出现在放电结束以后，但电池的温升明显加快，不利于电池的组合应用。

2.2 功率性能测试结果

测试条件：采用混合脉冲功率性能(HPPC)测试，在环境温度(25±5)℃，电池以15 A恒流充电到4.2 V，转恒压充电0.15 A截止；静置60min；电池调整到90%荷电状态(SOC)，以10电流脉冲放电10 s，静置60min；以7.5C电流脉冲充电10 s，静置60min；继续调整电池SOC状态，分别测试80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%SOC的功率性能。测试结果见表4～表5、图5～图8。

表4 A电池的功率性能

表5 B电池的功率性能

图5 A电池不同荷电态下的直流内阻

图6 A电池不同荷电态下的比功率

图7 B电池不同荷电态下的直流内阻

图8 B电池不同荷电态下的比功率

从HPPC功率测试来看，A电池的DCR较小，在不同的荷电状态，DCR变化缓慢，功率性能良好。50%SOC下，放电比功率为3 040 W/kg，与20C持续放电的比功率相当。

从HPPC功率测试来看，B电池的DCR比A电池略大，在不同的荷电状态，DCR变化也较缓慢，功率性能良好。50% SOC下，放电比功率为3 025 W/kg，与A电池相比，功率性能稍低，即采用陶瓷隔膜后，电池的直流内阻会增加，功率性能也会有相应的下降。

2.3 安全性能测试结果

根据系统设备的要求，对A、B两款电池都进行了短路、过充、过放、挤压和针刺实验。A、B两款电池在短路、过充、过放实验中都表现出了良好的安全性，不起火、不爆炸、不泄漏。但在挤压实验过程中都出现起火现象，在针刺实验过程中A电池出现起火，B电池未起火，通过针刺测试。从安全性能来看，目前制备的高功率高能量密度型电池未能完全满足电池安全性要求，需要进一步改进设计。

3 结论

采用以上配方和工艺制备的高功率锂离子电池具有良好的功率性能，比能量可达到170 Wh/kg，比功率能达到3 000 W/kg以上，可以达到20C持续放电，容量保持率大于90%。

从安全性能测试来看，电池安全性能还有待进一步提高。后期将通过改善正负极材料[4]、隔膜[5]、电解液[6]等方法提高电池的热稳定性，通过优化制造与装配等工艺过程改善电池的安全性。

根据设备的应用需求，后续还需要对电池的高低温性能、循环寿命和储存性能进行进一步研究。

[1]毕道治.大容量高功率锂离子电池研究进展[J].电池工业，2008，13(2)：114-119.

[2]吕汝信.从欧洲水下防务展看鱼雷发展趋势[J].鱼雷技术，2007，15(2)：8-11.

[3]钱东，崔立，薛蒙.美国新一代电动力轻型鱼雷研发策略分析[J].鱼雷技术，2007，15(6)：1-4.

[4]FENG X M，AI X P，YANG H X，et al.A positive-temperaturecoefficient electrode with thermal cut-off mechanism for use in rechargeable lithium batteries[J].Electrochemistry Communications，2004，6:1021-1024.

[5]PETR N，KLAUS M，SANTHANAM K S V，et al.Electrochemically active polymers for rechargeable batteries[J].Chem Rev，1997，97:207-281.

[6]FENG J K，SUN X J，AI X P，et al.Dimethyl methyl phosphate:a new nonflammable electrolyte solvent for lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources，2008，184:570-573.

Development of high power lithium ion battery

Two kinds of 15 Ah soft-package lithium ion batteries with high power were prepared.The performances of batteries were characterized by rated-discharge test，HPPC test and safety test.The results show that the batteries have high energy density of 170 Wh/kg,high power density of above 3 000 W/kg,and good power characteristics.

lithium-ion battery;high power;energy density

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1167-03

2016-04-11

毛国龙(1976—)，男，浙江省人，高级工程师，主要研究方向为锂离子电池应用。