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       導(dǎo)讀

       本文采用先進(jìn)的經(jīng)過包覆處理的高密度NCA材料，并通過對(duì)電極面密度、隔膜、電解液等設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池結(jié)構(gòu)密封性的優(yōu)化，提高電池性能，制備了18650型高比能長(zhǎng)壽命鋰離子電池。

       鋰離子電池具有比能量高，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為衛(wèi)星用儲(chǔ)能電池的首選。商用的18650型鋰離子電池由于技術(shù)成熟、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格低廉，其在低成本微衛(wèi)星領(lǐng)域已得到一定的應(yīng)用。

       隨著鋰離子技術(shù)的發(fā)展，高比能電池材料的開發(fā)向著高電壓材料、高鎳三元、5 V高電壓材料等方向發(fā)展[1]。其中，高鎳NCA材料具有比容量高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，成為高比能長(zhǎng)壽命鋰離子電池開發(fā)的重點(diǎn)材料之一[2-4]。本文采用先進(jìn)的經(jīng)過包覆處理的高密度NCA材料，并通過對(duì)電極面密度、隔膜、電解液等設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池結(jié)構(gòu)密封性的優(yōu)化，提高電池性能，制備了18650型高比能長(zhǎng)壽命鋰離子電池。
 

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實(shí) 驗(yàn)

       1.1 電池制作

       分別將正、負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑以一定比例混合后，加入一定的溶劑攪拌均勻，正負(fù)極漿料分別涂覆到鋁箔、銅箔上，電極碾壓、分切后，烘干，卷繞，裝配，焊接，注液，封口，制備成18650圓柱型鋰離子電池。

       1.2 電池性能測(cè)試

       倍率性能測(cè)試：在室溫環(huán)境下，電池以0.2C恒流恒壓充電到4.2V，0.01 C截止，電池分別以0.2C、0.5C、1C放電到2.75V，記錄電池容量。

       加速循環(huán)壽命測(cè)試：在常溫下，電池在4.20～2.75 V電壓范圍，以0.5C/0.5 C 100%放電深度進(jìn)行充放電循環(huán)，記錄電池容量。

       LEO軌道壽命測(cè)試：在常溫下，以0.5C恒流恒壓充電到4.2V，0.01 C截止，以0.5C放電36min，然后電池以0.5 C恒流恒壓充電至4.20 V后轉(zhuǎn)0.5C電流放電，重復(fù)上述充放電循環(huán)，記錄截止電壓。

       空間環(huán)境適應(yīng)性：參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對(duì)電池進(jìn)行密封性、穩(wěn)態(tài)加速、隨機(jī)振動(dòng)、正弦振蕩、沖擊及熱真空實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果與討論

       2.1 正極材料的選擇

       選擇了三種不同型號(hào)的NCA材料制備18650實(shí)驗(yàn)電池，進(jìn)行了電性能測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同型號(hào)NCA電性能測(cè)試結(jié)果

        從表1的數(shù)據(jù)可以看出，三種高密度NCA材料中，綜合比容量發(fā)揮，循環(huán)壽命兩方面的因素，材料3#更適合作為高比能長(zhǎng)壽命鋰離子電池的正極材料。

        2.2 電化學(xué)參數(shù)的優(yōu)化

        2.2.1 電極面密度的優(yōu)化

       對(duì)A、B兩種面密度電池進(jìn)行倍率與循環(huán)壽命的對(duì)比，優(yōu)化電池的面密度設(shè)計(jì)參數(shù)。A、B兩種電池的倍率測(cè)試結(jié)果見表2。A、B兩種電池的加速壽命測(cè)試曲線見圖1。

表2 電池的倍率放電數(shù)據(jù)

圖1 A、B兩種面密度電池循環(huán)測(cè)試曲線

        從表2倍率測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，A、B兩種面密度設(shè)計(jì)的電池在0.5C、1C倍率條件下沒有差異。從圖1的循環(huán)曲線看，在循環(huán)到600次時(shí)，電池A的容量保持率為91.5%，電池B的容量保持率為89.5%，低面密度A具有更好的循環(huán)性能，但兩種面密度電池的循環(huán)衰降趨勢(shì)基本相同。目前低軌衛(wèi)星的放電電流一般在1C以下，所以對(duì)于高比能電池，在保證電池性能的前提下，選擇高面密度的電極設(shè)計(jì)。

       2.2.2 隔膜的優(yōu)化

       對(duì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。
 

表3 不同隔膜電性能測(cè)試數(shù)據(jù)

        從表3中T、P電池(T為陶瓷涂層隔膜電池，P為PP／PE復(fù)合隔膜電池)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在倍率性能上，兩種隔膜的倍率性能基本相同，但陶瓷涂層隔膜具有更好的循環(huán)壽命，一方面陶瓷隔膜比普通的PP/PE隔膜具有更好浸潤(rùn)性，另一方面陶瓷涂層可以提高隔膜高電壓下的抗氧化能力，可以有效提高電池的循環(huán)壽命。

       2.2.3 電解液的優(yōu)化

       對(duì)高比能長(zhǎng)壽命電池來說，電解液與正負(fù)極的匹配性，浸潤(rùn)性與穩(wěn)定性很大程度上決定了電池的性能。目前，電解液中常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰，通過對(duì)電解液溶劑配方與添加劑的調(diào)整，可以改善電極的浸潤(rùn)性，SEI成膜的致密性與穩(wěn)定性，從而提高電池的性能[5-7]。J.R.Dahn等[8]討論了各種電解液添加劑對(duì)電池性能的影響，認(rèn)為要提高電池的循環(huán)性能，必須要添加電解液添加劑，使正負(fù)極形成鈍化膜，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，降低副反應(yīng)。

       對(duì)采用了不同溶劑配方與添加劑的電解液實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行性能測(cè)試，其加速循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果見圖2。

       從加速循環(huán)壽命測(cè)試可知，03#電解液表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性，加速循環(huán)壽命測(cè)試500次時(shí)，容量保持率為93.6%。

       2.3 電性能及環(huán)境適應(yīng)性研究

       2.3.1 容量及倍率

       通過正極材料的篩選與電化學(xué)參數(shù)的優(yōu)化，電池密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制備了空間用容量為2.852Ah的18650電池，電池的測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 電性能數(shù)據(jù)

        由表4電池的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，電池比能量可以達(dá)到252Wh/kg，對(duì)電池進(jìn)行倍率性能測(cè)試，電池0.5C放電容量為2.832Ah，容量保持率為99.3%，1C放電容量為2.826Ah，容量保持率為99.1%。這證明電池的倍率性能良好。

       2.3.2 LEO循環(huán)壽命

      參照衛(wèi)星LEO軌道循環(huán)制度，對(duì)電池進(jìn)行地面模擬LEO軌道壽命評(píng)估，圖3為電池的LEO軌道壽命循環(huán)曲線。從圖中可以看出，電池在進(jìn)行了1.0萬次循環(huán)后，放電截止電壓仍然在3.7V以上，地面模擬壽命長(zhǎng)達(dá)2年，循環(huán)性能良好。

圖3 LEO軌道壽命循環(huán)曲線

        2.3.3 空間環(huán)境適應(yīng)性

     參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對(duì)研制的電池進(jìn)行密封性測(cè)試，電池的漏率為1.4×10－10~2.1×10－10Pam3/s，漏氣率均小于1×10－7Pam3/s，檢測(cè)結(jié)果滿足要求。

       參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對(duì)研制的電池進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加速、隨機(jī)振動(dòng)、正弦振蕩、沖擊及熱真空實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中電池的電流及電壓均未發(fā)生突變，且實(shí)驗(yàn)完成后電池?zé)o任何機(jī)械損傷，檢測(cè)結(jié)果滿足要求，本文不再展示放電曲線。

      參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》對(duì)研制的電池按照表5測(cè)試條件進(jìn)行熱真空實(shí)驗(yàn)，圖4為電池在熱真空循環(huán)過程中首次低溫放電曲線與末次高溫充電曲線。

表5 熱真空實(shí)驗(yàn)條件

       如圖4所示電池在熱真空實(shí)驗(yàn)過程中，充放電正常，實(shí)驗(yàn)后，蓄電池?zé)o變形、無開裂、無漏液。滿足空間環(huán)境適應(yīng)性要求。

結(jié) 論

      通過對(duì)正極材料的選型優(yōu)化，電極面密度、隔膜、電解液等重要電化學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，電池密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，制備了NCA體系2.852Ah 18650電池，電池比能量達(dá)到252 Wh/kg，1C倍率放電容量保持率為99.1%，地面模擬LEO軌道壽命長(zhǎng)達(dá)2年以上，并且通過了《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范》的環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，可應(yīng)用于微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)，滿足商業(yè)航天發(fā)展對(duì)航天器產(chǎn)品提出的輕小型、低功耗、高可靠的要求。

       參考文獻(xiàn)：