影响高倍率电池放电性能的因素

  极耳对高倍率电池性能的影响,在高倍率放电的条件下,高倍率电池的放电电压曲线会出现电压峰,同时电池的放电容量也有所增大。通过红外热成像的方法对锂离子电池高倍率放电条件下的热行为进行比较细缴的研究表明:钾离子电池放电过程中各个区域的电极反应是非常不平衡的。高倍率放电的条件下,开始时电池极耳附近区域的电阻较小,电流密度较大,因此这部分产生的热量比较大,温度升高较快。在放电过程的后期,靠近极耳区域的容量耗尽,远离极耳区域的部分如果温度上升比较缓慢时,会导致放电过程终止,反之会出现电压上升的现象。在设计大电流放电锂离子电池时可在电楼极片上多焊接几个楼耳,这样在高倍率放电条件下,高倍率放电初期电池内部就会有多个区域内阻较小,电流密度较大,反应速度较快,从而缓和单极耳情况下的剧烈反应。其实,当电极上焊接有多个极耳时,就相当于几个小电池并联而形成了一个大电池,电池电压U不变,

  U=U=U=U’·…

  而大电池电阻R就由几个小电池电阻R1、R3、R…等并联组成,近似表示为:

  R=1/(1/R,+1/R2+l/R·…+l/R)

  R必定小于R1、R2、R3、Rn…之中任何一个,如果电池只有一个极耳,那么

  R=R,+R+R+…+R.

  结果是并联之后高倍率电池总内阻大大降低。在大电流放电情况下,高倍率电池温度上升很快,点焊多个极耳的电池由于内阻较低,温升有所缓和,电池表面温度降低。

  高倍率电池以5C放电时,单极耳电池放电容量达到1060mAh左右,双极耳电池的放电容量约为1030mAh左右,比单极耳电池略低。但是,双极耳电池的初始放电电压较单故耳电池高,放电平台不如单极耳电池平坦。以一定型号的软包装锂离子电池为研究对象,增加了极片上的极耳数量就必然增加了电池的厚度(由于极耳点焊于电极片上会占用一部分电池的厚度),所以,对于固定型号尺寸的锂离子电池.这种双极耳的电池相对来说容量会略有降低。因此,双极耳电池比单极耳电池的放电容量低。电压平台下降较快并不是因为双极耳电池电化学性能差而导致,而是由于增加了电池的极耳,就必然增加了电池的厚度,减少了极片的长度,从而减少了活性物质的使用量而导致。

  当高倍率电池型号变大、尺寸变大时,由于极耳数量引起的厚度增加会相对减小,此时单、双极耳电池所用的活性物质量相当,电池容量也会差别不大,高倍率电池放电曲线更加平滑。381530和063465型号的电池,分别采用单、双极耳技术的容量变化,容量变化对小型号电池的影响更大。综合分析认为增加了电池的极耳数量确实能改善电池的高倍率放电性能,而且,尤其适合应用于大型号、大尺寸的软包装电池。从电池的8C放电曲线我们可以清晰的看到.在高倍率放电性能方面,双极耳电池确实比单极耳电池具有无可比拟的优点。从电池的放电曲线可以看到,双极耳电池的初始放电电压较高,放电曲线较平滑,只是放电容量较低。另外从单被耳电池的放电曲线上可以发现,单极耳电池放电时电压确实先降低较快,而后上升出现一个电压峰,而双极耳电池的放电曲线上没有出现电压峰。因此本文认为增加电池的极耳数量是改善锂离子电池高倍率放电性能的一个研究方向。我们还可以在正负电极片上分别焊接3个极耳,只是这样必然会增加铝塑膜的热封难度,容易加热过度,导致电池短路漏液等问题。当然如果加热条件控制合适完全可以做到封口美观、热封良好(我们成功的做过这方面实验,成品率较低,对热封条件要求苛刻),只是所用极耳的数量及宽度尺寸与具体电池的尺寸有关,具体型号的电池还应实验证明究竟应使用多少数量、多大尺寸的极耳。

  增加了高倍率电池的极耳数量确实有效的减小了电池的内阻(对大型号电池,如063465明显),但是增加了极耳的数量导致能够使用的电池的活性物质减少。

  高倍率电池电极极片对放电性能的影响,大电流放电情况下,活性物质反应速度很快,要求离子能于材料中迅速的嵌入、脱出。极片若是较厚,无疑加长了离子运动的路径,增加了离子运动的阻力,因此开发大电流放电电池应考虑将电极片薄。但是电极片如果压实密度较大,则活性物质内部离子运动的小路径、小孔隙变的更小,由于电池内阻增大与材料孔隙率减小有顺变关系,因此压实密度过大,材料与电解液间接触面减小,电池内阻就会增大网;若压实密度较小,则电极厚度相对增大,对于同样厚度的电极,涂敷于电极表面的活性物质相对减少。对同-·标准型号的电池所用的活性材料减少,电池容量减小。所以必须调整电极敷料的压实密度,减小电极的电阻以利于电池大电流放电。

  结果表明改变导电剂与活性物质的配比量及极片的面密度、压实密度对提高电池的高倍率放电性能有很大的帮助。

  高倍率电池每个电极均采用双极耳放电。电池的8C放电曲线已经呈现出非常好的形状,曲线放电平台平滑,5C放电时电池于3.4V截止电压下放电容量达到800mAh以上,首次充电容量为964mAh,放电容量为955mAh,放电效率为99.1%。8C放电3.2V截止电压下放电容量也达到880mAh以上,首次充电容量为954mAh,放电容量为946mAh,放电效率为99.2%。可以看出a类电池随着循环次数的增加放电情况越来越差,电压峰越来越明显,曲线杂乱,中值电压比较低。b类电池放电曲线平滑,平台平坦,电片平台较高,多次循环容量衰减较小,曲线密集集中。

  高倍率电池5C放电时电池放电时间达到11min分钟左右,8C放电时放电时间也在

  7.5min以上。b类电池的放电时间大大提高了,而且放电时电池表面温度有较大幅度的降低,尤其是8C放电时,温度竟然下降了14℃之多。由于电解液的电导率随温度的升高增加很快,电解液电导率增加则电池的导电性增加,应当更加有助于大电流放电,然而b类电池高倍率放电性能依然优于a电池,确实极大地提高了钾离子电池高倍率放电性能。高倍率电池大电流放电时通常温度很高,需要改善其高温性能及安全性,而锂离子电池的使用环境要求苛刻,LiCoO2材料安全性较差,因此,降低高倍率放电时的温度有助于提高锂离子电池的安全性,放电温度降低而高倍率放电性能良好成为b型电池的又一大优点。

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