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軟包鋰電池高溫脹氣的改善研究

時間:2020-12-21 11:28來源:鋰電前沿 作者:綜合報道
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       導讀:隨著新能源鋰電池的不斷發(fā)展,用鋁塑膜作為外殼的軟包鋰電池被廣泛應動力行業(yè)、消費電子等產(chǎn)品中。由于實際使用時,受使用環(huán)境、季節(jié)、地區(qū)氣候等影響,不可避免地出現(xiàn)高溫情況,極易導致軟包鋰電池脹氣和電性能遭受較大損傷的弊端。通過對電解液和制程工藝優(yōu)化的評測,確定了采用3%VC含量添加劑改進型電解液和制程工藝優(yōu)化相結(jié)合方式,對抑制軟包鋰電池高溫脹氣和電性能持續(xù)損傷有顯著改善。
 
       1 實驗
 
       1.1 配方和設計
 
       正極( 油系 ):鈷酸鋰∶導電劑 (SP)∶粘結(jié)劑(PVDF-HSV900)=96∶2∶2(質(zhì)量比);負極(水系):石墨(寧波杉杉 FSN-4)∶增稠劑(CMC)∶粘結(jié)劑(SBR)=95.5∶1.5∶3.0(質(zhì)量比);隔膜:16μm Celgard 隔膜;電解液:廣州天賜。按上述配方和設計將其卷繞、組裝成494147型號軟包方塊電池。
 
       1.2 不同含量VC添加劑改進型電解液電池的試制 
 
       采用天賜TC-E233H型號電解液,分別重新添加0%、1.5%、3%、4.5%的VC添加劑,使其成為四種電解液,分別將電解液注入494147型號軟包方塊電池,形成 A、B、C、D 四個方案電池,用于后續(xù)測試(方案A為對比組)。注:注液后工藝步驟:①常溫靜置8h→②化成→③40℃ 靜置24 h→④去氣封邊→⑤平壓→⑥分容。 
 
       1.3 制程工藝優(yōu)化電池的試制 
 
       軟包鋰電池注液后的工藝流程為:①常溫靜置 8 h→②化 成→③40℃靜置24h→④去氣封邊→⑤平壓→⑥分容;將步驟①的制程工藝優(yōu)化4組其余步驟不變,第1組:常溫靜置8h(對比組);第2組:60℃靜置8h;第3組:85℃靜置8h;第4組:100℃靜置8h;用于后續(xù)測試(電解液采用方案A即添加 0%VC)。
 
       1.4 最佳方案電池的試制 
 
       以上述1.2節(jié)得出的最佳百分比含量VC電解液和1.3節(jié)最佳靜置溫度為條件,重新制作成最佳方案電池,用于后續(xù)測試評估。 
 
       2 實驗與結(jié)論
 
       2.1 不同含量 VC 添加劑改進型電解液電池的實驗 
 
       實驗步驟:將1.2節(jié)中的A~D四個方案電池,①測試初始容量、厚度;②充滿電;③置于85 ℃恒溫箱中48h;④取出冷卻至室溫后,復測容量、厚度;從②~④不斷重復,直至全部脹氣截止測試;對比四個方案出現(xiàn)首次脹氣的周期、容量損失率、膨脹率。由表1可知,方案C和D抗高溫脹氣能力強,均在第3周遭受 85 ℃ 48 h 時才出現(xiàn)脹氣;由圖1可知,方案C和D在每周高溫沖擊后,其電芯膨脹率相比方案A和B小很多;由圖2可知,電解液中添加VC的電池容量損失程度比不添加VC的要大,且隨著VC添加量的增加,容量損失也增加。
 
表1 不同VC含量電解液電池首次脹氣對應的周期
圖 1 各階段熱沖擊后電芯膨脹率柱狀圖
圖 2 各階段熱沖擊后電芯容損率折線圖
 
       VC提升抗高溫脹氣能力,但高溫沖擊后容損相比而言也有所增多的這一特點,可以從VC自身特性解釋:VC作為鋰離子電池新型有機成膜添加劑與過充電保護添加劑,具有良好的高低溫性能及防氣脹功能,可以提高電池的容量和循環(huán)壽命。當電芯在85 ℃高溫下儲放沖擊時,負極SEI保護膜勢必出現(xiàn)“破損和 VC再修復成膜”的情況,如果電解液中無VC,則膜不斷破損,負極碳與電解液發(fā)生副反應產(chǎn)氣致使電芯脹氣;若有VC,則VC不斷對破損SEI膜進行再修復,不讓負極碳與電解液發(fā)生產(chǎn)氣的副反應,但修復的過程,勢必消耗電解液中的有效鋰,致使出現(xiàn)不可逆容量損失而使容損有所增多。綜合表 1、圖1和圖2的結(jié)果,方案C(在天賜TC-E233H型號電解液中再添加 3%VC)為 2.1 節(jié)實驗的最佳方案。 
 
       2.2 制程工藝優(yōu)化電池的實驗 
 
       實驗步驟:將1.3 節(jié)中的4組電池,①測試初始容量、厚度;②充滿電;③置于85℃恒溫箱中48 h;④取出冷卻至室溫后,復測容量、厚度;從②~④不斷重復,直至全部脹氣截止測試;對比四個方案出現(xiàn)首次脹氣的周期、容量。綜合表2、圖3和圖4的結(jié)果,第3組(注液后先在烘箱中85℃靜置8h,然后上柜化成)為2.2節(jié)實驗的最佳方案。由表2可知,注液后高溫靜置8h 對后期電池抗高溫脹氣能力有益,雖然2、3、4 均在第2周出現(xiàn)脹氣,但3、4兩組相較而言更為有益;由圖4可知,注液后高溫靜置,電池的平均容量有所降低,其中第4組容量偏低嚴重;注液后將常溫靜置改為高溫靜置的工藝優(yōu)化,提升了抗高溫脹氣能力,但同時也導致了容量變低。因為注液后化成前電池負極未形成SEI保護膜,在此條件下,電解液中部分成分會與負極發(fā)生緩慢副反應而產(chǎn)氣,變常溫為高溫,可以加速催化該部分產(chǎn)氣物質(zhì)副反應的進程,使其最大限度地反應殆盡,避免后期85 ℃48 h 循環(huán)熱沖擊時再反應產(chǎn)氣,從而引起脹氣。由于高溫下的加速催化,導致副反應隨溫度升高而增劇,不可逆容量隨之增多,因此后期分容后平均容量不斷減小,當溫度100℃時,電解液其他成分可能也因熱而分解,出現(xiàn)容量嚴重偏低情況,若繼續(xù)增大溫度,易導致電解液失效,電池后期電性能急劇變劣。
 
表二 注液后不同靜置溫度電池首次脹氣對應的周期表
圖 3  4 組電池各階段熱沖擊后電芯膨脹率柱狀圖
圖 4  4 組電池平均容量柱狀圖
 
       2.3 最佳方案電池的實驗 
 
       在天賜TC-E233H型號電解液中添加 3%VC 添加劑,電池經(jīng)卷繞注液后,①85℃靜置8h→②化成→③40℃靜置24h→④去氣封邊→⑤平壓→⑥分容;即結(jié)合2.1節(jié)&2.2節(jié)實驗中的最佳方案,制作成電池,經(jīng)85 ℃48 h反復熱沖擊、評估其首次脹氣的周期、容量損失率、膨脹率;然后取分容后新電池,再次經(jīng)85 ℃48 h 反復沖擊,沖擊周數(shù)必須為出現(xiàn)首次脹氣周數(shù)的前一周(例如:假設第5次出現(xiàn)首次脹氣,那么取第4周),最后以0.5C評估遭受熱沖擊后臨近脹氣邊緣前的循環(huán)性能。由表3可知,結(jié)合 2.1 節(jié) &2.2 節(jié)實驗的最佳方案制作的新電池,其耐高溫能力更強,可保證85 ℃48 h反復沖擊3次不脹氣,且膨脹率也在1%~5%以內(nèi)。
 
表三 85℃ 48h 反復沖擊各項目情況數(shù)據(jù)
 
       由圖5可知,取分容后新電池經(jīng)85℃48h反復沖3次,模擬造成熱沖擊接近脹氣邊緣狀態(tài),電池的300周容量保持率仍>85%,循環(huán)性能佳。
圖 5  3 次熱沖擊后循環(huán)曲線圖
 
       3 結(jié)論 
 
       (1)電解液VC添加劑對電池高溫脹氣有顯著抑制作用,且在天賜 TC-E233H 型號中再添加3%為最佳值;
 
       (2)優(yōu)化制程工藝,將注液后常溫8h靜置優(yōu)化成85 ℃8h靜置,最大限度地反應殆盡電解液中與負極反應產(chǎn)氣的物質(zhì)成分,避免了后期熱沖擊時再反應產(chǎn)氣,從而引起脹氣,對電池的高溫脹氣也有顯著抑制作用;
 
       (3)通過結(jié)合“在 TC-E233H型電解液再添加3%VC和注液后改用 85 ℃8 h靜置后再化成”的方式,制得的軟包方塊鋰電池,其耐高溫熱沖擊能力更強,可達到85 ℃48 h反復3次不脹氣,且電池在遭受3次熱沖擊后,依舊具有0.5C循環(huán)300周>85%的優(yōu)異循環(huán)性能。
 
(責任編輯:子蕊)
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