18650型锂离子电池的循环容量衰减研究_刘文刚

研究与设计

１８６５０型锂离子电池的循环容量衰减研究

刘文刚1,2,

周

波2,

王晓丹2,

高俊奎2,

刘兴江1,3

（1.天津大学化工学院，天津300072；2.天津力神电池股份有限公司，天津300384；3.中国电子科技集团公司第十八研究所化学与物理电源技术重点实验室，天津300381）

摘要：研究了１８６５０型锂离子电池常温循环性能和容量衰减机理。采用恒流－恒压制式对锂离子电池进行２００次充放电循环测试，用交流阻抗技术对不同循环次数的电池进行分析，将不同循环次数的电池正负极与锂片分别组成半电池测试其容量，利用扫描电子显微镜法（ＳＥＭ）、Ｘ射线衍射光谱法（ＸＲＤ）、空气渗透仪等测试手段对不同循环次数后的锂隔膜的形貌和结构进行了表征。结果表明，电池在前２００次循环过程中容量衰减率为１５．６％；而正极离子电池正负极、

和负极容量分别损失６．６％和４．３％。电池容量衰减主要来自于活性锂离子的损失以及电极活性材料的损失，活性锂离子的损失可能是由于在循环过程中电解液与正负极活性材料反应不断消耗活性锂离子造成的；正极活性材料层状结构规整度下降，离子混排度提高，负极活性材料上沉积钝化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，导致电池电荷传递阻抗增大，脱嵌锂能力下降，从而导致容量的损失。关键词：锂离子电池；循环；容量衰减中图分类号：ＴＭ９１２．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１２）０３－０３０６－０４

Capacityfadingof18650Li-ioncellswithcycling

LIUWen-gang1,2,ZHOUBo2,WANGXiao-dan2,GAOJun-kui2,LIUXing-jiang1,3

(1.SchoolofChemicalEngineeringandTechnology，TianjinUniversity,Tianjin300072,China；2.TanjinLishenBatteryCo.,Ltd.,Tianjin

300384,China；3.NationalKeyLabofPowerSources,TianjinInstituteofPowerSources，Tianjin300381,China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｙｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃａｐａｃｉｔｙｆａｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ１８６５０Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓｃｙｃｌｅｄａｔｒｏｏｍ

Ｔｈｅｃｈａｒｇｅ－ｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｙｃｌｅｏｆ１８６５０Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓｗａｓｔｅｓｔｅｄｆｏｒ２００ｃｙｃｌｅｓｂｙ

Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

Ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｅｓｏｆｃａｔｈｏｄｅａｎｄａｎｏｄｅｐｉｅｃｅｓｃｕｔｆｒｏｍｔｈｅｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｄｃｅｌｌａｆｔｅｒ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ｃｙｃｌｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙＥＩＳ．

ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔ－ｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅ（ＣＣ－ＣＶ）ｐｒｏｔｏｃｏｌ．

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｙｃｌｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｇａｉｎｓｔｆｒｅｓｈｌｉｔｈｉｕｍ．Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃａｔｈｏｄｅ，ａｎｏｄｅａｎｄｓｅｐａｒａｔｏｒｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｙｃｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＳＥＭ，ＸＲＤａｎｄａｉｒ－ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｅｌｌｌｏｓｅｓ１５．６％ｏｆｉｔｓｉｎｉｔｉａｌｃａｐａｃｉｔｙａｆｔｅｒ２００ｃｙｃｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｃａｔｈｏｄｅａｎｄａｎｏｄｅｌｏｓｅｓ６．６％ａｎｄ４．３％ｏｆｔｈｅｉｒｉｎｉｔｉａｌｃａｐａｃｉｔｉｅｓａｆｔｅｒ２００ｃｙｃｌｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｃａｐａｃｉｔｙｆａｄｉｎｇｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓｃａｎｂｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｐｒｉｍａｒｉｌｙｔｏｔｈｅｌｏｓｓｏｆａｃｔｉｖｅＬｉ＋ａｎｄｔｈｅｌｏｓｓｅｓｏｆｃａｔｈｏｄｅａｎｄａｎｏｄｅａｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＴｈｅｌｏｓｓｏｆａｃｔｉｖｅＬｉ＋ｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｉｄｅｒｅａｃｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓｐｅｃｉｅｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．Ｍｏｒｅｃａｔｉｏｎｍｉｘｉｎｇａｎｄｌｅｓｓｏｒｄｅｒｅｄｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌ．ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｎｔｈｅａｎｏｄｅ．

ＴｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｇｒａｐｈｉｔｉｚａｔｉｏｎｏｆａｎｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｆｉｌｍｉｓＴｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｓｅｐａｒａｔｏｒｄｅｃｒｅａｓｅｓ．

Ｔｈｅｓｅｃａｕｓｅｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｈａｒｇｅｔｒａｎｓｆｅｒ

ｉｍｐｅｄａｎｃｅａｎｄｔｈｅｌｏｓｓｅｓｏｆｃａｐａｃｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ｃｙｃｌｅ；ｃａｐａｃｉｔｙｆａｄｉｎｇ手机、笔记本电脑、ipad、数码相机等新一代便携式电子产品已经成为现代人类社会不可或缺的工具。新一代便携式电子产品要求其动力源具有高安全性、环境友好性、高比能量、长使用寿命等特点[1]。锂离子电池在这种环境下应运而生，并已经成为目前最具有竞争力的二次电池。18650型锂离子电池属于典型的圆柱形锂离子电池，具有突出的体积比能量，特别适合于笔记本电脑、数码相机等产品。尽管锂离子电池具有许

收稿日期：２０１１－１１－１６

作者简介：刘文刚（１９８２—），男，内蒙古自治区人，博士后，主要研究方向为圆柱型锂离子电池。

多突出的优势，但是锂离子电池在循环过程中的容量损失是不可避免的，国内外学者对此进行了许多研究[2-7]。研究表明锂离子电池容量衰减的主要机制包括：副反应的发生，金属锂的沉积，电解液的阳极氧化及阴极还原，正负极表面钝化膜的形相变化以及结构变化，集流体的腐成，电极活性材料的溶解、蚀等。然而，锂离子电池容量衰减的机理目前还并不是十分清楚，不同结构形式、不同电化学体系的锂离子电池，其容量衰减机理也不尽相同。因此，分析锂离子电池的循环容量衰减机理具有重要意义。本文以18650圆柱型电池为研究对象，分析其循环过程中的容量衰减机理，为进一步提升该电池的循环

２０１２．３Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．３

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研究与设计

性能，优化设计提供依据。

V/V１实验

本实验采用额定容量为2800mAh的18650型圆柱型锂离子电池。电池在25℃下进行0.8C(2240mA)充放电循环测试，采用恒流恒压充电制度(CC-CV)和恒流放电制度，首先以0.8C恒流充电至4.3V，再以4.3V恒压下充电直至电流小于56mA，然后以0.8C恒流放电至终止电压为3.0V，如此循环充放电200次，循环测试在美国Arbin公司生产的BT2000型在负极表面电池测试系统上进行。电池在测试前需经过化成，

形成一层光滑的SEI膜。采用德国IM6型电化学工作站对循环前后的全电池进行电化学交流阻抗测试，频率扫描范围为10mHz～100kHz，所加交流电压幅值为5mV。

分别对循环50、100次和200次以后的电池进行解剖，负极和隔膜用DMC浸泡，并真空干燥。分别取正、负极片正、

刮掉一面极粉，冲切成Φ13mm的圆片，锂片作为对电极和参比电极，电解液和隔膜与全电池 …… 此处隐藏：6583字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……