磷酸铁锂材料在动力锂离子电池中的应用_图文

1、876收稿日期:2009-07-22作者简介:杨凯(1982,男,天津市人,助理工程师,主要研究方向为锂离子电池。Biography:YANG Kai(1982,male,assistant engineer.磷酸铁锂材料在动力锂离子电池中的应用杨凯,刘兴江(天津电源研究所物理与化学电源重点实验室,天津300381摘要:锂离子电池因其有较高的电压和能量密度,被广泛应用于HEV 、PHEV 和电动工具领域。使用经过碳包覆方法处理的磷酸铁锂(LiFePO 4材料来制备软包装电池,其高倍率放电性能、高低温性能和循环性能测试结果表明,该材料完全可以满足动力电池的需要并得到广泛的应用。关键词:磷酸铁锂;

2、动力电池;锂离子电池中图分类号:TM 912.9文献标识码:A文章编号:1002-087X(200910-0876-03Investigation of LiFePO 4cathode material for power lithium-ionbatteriesYANG Kai ,LIU Xing-jiang(Tianjin Institute of Power Source,Tianjin 300381,ChinaAbstract:Lithium ion battery (LIBis a promising candidate as energy storage and power out

3、put in HEV,PHEV and power tools,because of its high voltage and high energy density.The electric conductivity of LiFePO 4can beimproved by the method of carbon coating.The batteries with LiFePO 4cathode have been prepared.The results show that rate ability,discharging ability at different temperatur

4、e and cycle ability are good enough to meet therequirements of power lithium-ion battery.Key words:LiFePO 4;power lithium-ion battery;lithium ion battery 近年来,为应对汽车工业迅猛发展带来的诸如环境污染、石油资源急剧消耗等负面影响1,各国都在积极开展采用清洁能源的电动汽车EV 以及混合动力电动车HEV 的研究,并将其作为今后汽车工业发展的必然方向2。锂离子电池作为未来电动汽车最主要的候选动力电源,具有成本低廉、性能优异的特点,成为研究的主要目

5、标3。具有橄榄石结构的磷酸铁锂是一种应用前景十分广阔的锂离子蓄电池正极材料。LiFePO 4的理论比容量为170mAh/g ,相对于锂金属负极的稳定放电平台为3.43.5V ,且具有原料资源丰富、价格便宜、无毒、环境友好、安全性高等优点4。但是磷酸铁锂材料本身的离子电导率和电子电导率并不高,这就使得其在动力锂离子电池领域的发展受到了阻力。我们使用经过碳包覆处理之后的磷酸铁锂材料作为电池正极,组装2Ah 的功率型软包装电池,并对其进行电性能的测试。1实验1.1电池制备本实验的测试电池为软包装电池,容量2Ah 。正极材料为C-LiFePO 4;负极材料为MCMB ;隔膜为Cellguard 复合膜

6、;电解液为1mol/L LiPF 6的EC/DEC/DMC(体积比为111的混合液。1.2性能测试方法本实验做了两个不同倍率下的循环实验,即3C 循环和5C 循环。充电条件均为1C 充电,充放电电压范围为2.53.6V 。2结果与讨论2.1倍率放电性能从图1中可以看到,这种电池具有良好的高倍率放电性能。相对于1C 放电容量,其20C 放电容量可达85%;50C 放电容量也可以达到15%。这说明,虽然磷酸铁锂材料本身的离子电导率和电子电导率并不高,但是经过碳包覆处理之后,其电导率明显提高,可以满足高功率电池的要求。 另外,由于是动力用电池,所以电极均采用了薄电极结研究与设计构,这样可以减小锂离子

7、由电极内部迁移到电极表面的距离,从而减小内阻,提高倍率性能。2.2高低温性能从图2中可以看出,随着温度的降低,电解液电导率降低而导致电池内阻增大,电压平台逐渐降低,-20时,电压平台仅为2.8V,放电容量也仅为常温时的53%。当温度升高至50时,电压平台只是略有升高,但放电容量却达到了常温的122%。这可能是由于磷酸铁锂材料离子电导率提高而引起的。本实验还针对不同温度,进行了交流阻抗测试,测试结果如图3所示。从图中也可以看出,随着温度的降低,反应阻抗不断增大,这必然导致电池内阻的增大和放电容量的下降,这与放电曲线是相吻合的。在反应阻抗增大过程中,我们认为这可能主要是由于正极的反应阻抗增大所造成

8、的。2.3循环性能由图4可以看出,两只电池经过1000次循环之后,容量保持率都在95%以上。而在经过了3000次循环之后,也仍具有较高的容量保持率。5C循环和3C循环的容量保持率都为76%左右。这说明,磷酸铁锂材料具有良好的循环稳定性。本实验在每做完100次循环之后,都会对电池进行满电态交流阻抗测试。图5和图6为两个循环的初始、1000次、2000次和3000次循环的阻抗图。从图中可以看出,随着循环次数的增加,阻抗图不断向右侧偏移,但圆弧变化不大。这说明电池的欧姆阻抗在不断增加,但电化学阻抗却基本保持不变。从这里可以看出,欧姆阻抗的增加可能是循环性能下降的一个主要原因。造成这种现象可能跟软包装

9、电池的自身结构有关系。电池在充放电过程中都会有气体产生,随着气体的 No.10研究与设 计877878聚集,软包装电池不可避免的会发生胀气现象,这就会使原本紧贴在一起的电极之间产生缝隙,从而增加了欧姆阻抗。3结论使用经碳包覆法得到的磷酸铁锂材料为正极活性物质、MCMB 为负极活性物质的电池,其在倍率放电、高低温性能和循环寿命等方面都表现优异,证明了磷酸铁锂材料可以在动力电池领域发挥本领。所以,只要对电极、电池等加以科学合理的设计和不断的改进,磷酸铁锂材料一定可以在动力电池领域得到更广泛的应用。参考文献:1魏学哲,孙泽昌,田佳卿.锂离子动力电池参数辨识与状态估计J.同济大学学报(自然科学院,20

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11、t max 的催化氧还原电子转移数与Pt/C 相近,即氧还原过程为4e 还原过程;耐甲醇测试表明TDMNPPFe(催化剂具有很好的耐甲醇性能。参考文献:1KIM H,SHIN S,PARK Y,et al.Determination of DMFC deteriora-tion during long-term operationJ.J Power Sources,2006,160(1:440-445.2RALPH T R.Proton exchange membrane fuel cells-Progress in costreduction of the key componentsJ.P

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