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影響高倍率電池放電性能的因素

極耳對高倍率電池性能的影響,在高倍率放電的條件下,高倍率電池的放電電壓曲線會出現電壓峰,同時電池的放電容量也有所增大。通過紅外熱成像的方法對鋰離子電池高倍率放電條件下的熱行為進行比較細繳的研究表明:鉀離子電池放電過程中各個區域的電極反應是非常不平衡的。高倍率放電的條件下,開始時電池極耳附近區域的電阻較小,電流密度較大,因此這部分產生的熱量比較大,溫度升高較快。在放電過程的后期,靠近極耳區域的容量耗盡,遠離極耳區域的部分如果溫度上升比較緩慢時,會導致放電過程終止,反之會出現電壓上升的現象。在設計大電流放電鋰離子電池時可在電樓極片上多焊接幾個樓耳,這樣在高倍率放電條件下,高倍率放電初期電池內部就會有多個區域內阻較小,電流密度較大,反應速度較快,從而緩和單極耳情況下的劇烈反應。其實,當電極上焊接有多個極耳時,就相當于幾個小電池并聯而形成了一個大電池,電池電壓U不變,

高倍率電池

U=U=U=U’·…

而大電池電阻R就由幾個小電池電阻R1、R3、R…等并聯組成,近似表示為:

R=1/(1/R,+1/R2+l/R·…+l/R)

R必定小于R1、R2、R3、Rn…之中任何一個,如果電池只有一個極耳,那么

R=R,+R+R+…+R.

結果是并聯之后高倍率電池總內阻大大降低。在大電流放電情況下,高倍率電池溫度上升很快,點焊多個極耳的電池由于內阻較低,溫升有所緩和,電池表面溫度降低。

高倍率電池以5C放電時,單極耳電池放電容量達到1060mAh左右,雙極耳電池的放電容量約為1030mAh左右,比單極耳電池略低。但是,雙極耳電池的初始放電電壓較單故耳電池高,放電平臺不如單極耳電池平坦。以一定型號的軟包裝鋰離子電池為研究對象,增加了極片上的極耳數量就必然增加了電池的厚度(由于極耳點焊于電極片上會占用一部分電池的厚度),所以,對于固定型號尺寸的鋰離子電池.這種雙極耳的電池相對來說容量會略有降低。因此,雙極耳電池比單極耳電池的放電容量低。電壓平臺下降較快并不是因為雙極耳電池電化學性能差而導致,而是由于增加了電池的極耳,就必然增加了電池的厚度,減少了極片的長度,從而減少了活性物質的使用量而導致。

當高倍率電池型號變大、尺寸變大時,由于極耳數量引起的厚度增加會相對減小,此時單、雙極耳電池所用的活性物質量相當,電池容量也會差別不大,高倍率電池放電曲線更加平滑。381530和063465型號的電池,分別采用單、雙極耳技術的容量變化,容量變化對小型號電池的影響更大。綜合分析認為增加了電池的極耳數量確實能改善電池的高倍率放電性能,而且,尤其適合應用于大型號、大尺寸的軟包裝電池。從電池的8C放電曲線我們可以清晰的看到.在高倍率放電性能方面,雙極耳電池確實比單極耳電池具有無可比擬的優點。從電池的放電曲線可以看到,雙極耳電池的初始放電電壓較高,放電曲線較平滑,只是放電容量較低。另外從單被耳電池的放電曲線上可以發現,單極耳電池放電時電壓確實先降低較快,而后上升出現一個電壓峰,而雙極耳電池的放電曲線上沒有出現電壓峰。因此本文認為增加電池的極耳數量是改善鋰離子電池高倍率放電性能的一個研究方向。我們還可以在正負電極片上分別焊接3個極耳,只是這樣必然會增加鋁塑膜的熱封難度,容易加熱過度,導致電池短路漏液等問題。當然如果加熱條件控制合適完全可以做到封口美觀、熱封良好(我們成功的做過這方面實驗,成品率較低,對熱封條件要求苛刻),只是所用極耳的數量及寬度尺寸與具體電池的尺寸有關,具體型號的電池還應實驗證明究竟應使用多少數量、多大尺寸的極耳。

增加了高倍率電池的極耳數量確實有效的減小了電池的內阻(對大型號電池,如063465明顯),但是增加了極耳的數量導致能夠使用的電池的活性物質減少。

高倍率電池電極極片對放電性能的影響,大電流放電情況下,活性物質反應速度很快,要求離子能于材料中迅速的嵌入、脫出。極片若是較厚,無疑加長了離子運動的路徑,增加了離子運動的阻力,因此開發大電流放電電池應考慮將電極片薄。但是電極片如果壓實密度較大,則活性物質內部離子運動的小路徑、小孔隙變的更小,由于電池內阻增大與材料孔隙率減小有順變關系,因此壓實密度過大,材料與電解液間接觸面減小,電池內阻就會增大網;若壓實密度較小,則電極厚度相對增大,對于同樣厚度的電極,涂敷于電極表面的活性物質相對減少。對同-·標準型號的電池所用的活性材料減少,電池容量減小。所以必須調整電極敷料的壓實密度,減小電極的電阻以利于電池大電流放電。

結果表明改變導電劑與活性物質的配比量及極片的面密度、壓實密度對提高電池的高倍率放電性能有很大的幫助。

高倍率電池每個電極均采用雙極耳放電。電池的8C放電曲線已經呈現出非常好的形狀,曲線放電平臺平滑,5C放電時電池于3.4V截止電壓下放電容量達到800mAh以上,首次充電容量為964mAh,放電容量為955mAh,放電效率為99.1%。8C放電3.2V截止電壓下放電容量也達到880mAh以上,首次充電容量為954mAh,放電容量為946mAh,放電效率為99.2%??梢钥闯鯽類電池隨著循環次數的增加放電情況越來越差,電壓峰越來越明顯,曲線雜亂,中值電壓比較低。b類電池放電曲線平滑,平臺平坦,電片平臺較高,多次循環容量衰減較小,曲線密集集中。

高倍率電池5C放電時電池放電時間達到11min分鐘左右,8C放電時放電時間也在

7.5min以上。b類電池的放電時間大大提高了,而且放電時電池表面溫度有較大幅度的降低,尤其是8C放電時,溫度竟然下降了14℃之多。由于電解液的電導率隨溫度的升高增加很快,電解液電導率增加則電池的導電性增加,應當更加有助于大電流放電,然而b類電池高倍率放電性能依然優于a電池,確實極大地提高了鉀離子電池高倍率放電性能。高倍率電池大電流放電時通常溫度很高,需要改善其高溫性能及安全性,而鋰離子電池的使用環境要求苛刻,LiCoO2材料安全性較差,因此,降低高倍率放電時的溫度有助于提高鋰離子電池的安全性,放電溫度降低而高倍率放電性能良好成為b型電池的又一大優點。

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