第4l卷第4期电池V01．41，No．4
20l1年8月BATTERYBIMONTHLYAug．，201l
·技术交流·
快速充电高功率型锂离子电池的研制
刘小虹
(迈科科技有限公司，广东东莞523800)
摘要：研制了快速充电高功率型锂离子电池，对电极材料、电解液体系、电极体系的设计等进行了研究，测试了电池的快速
充电、高倍率放电、快速充电高倍率放电循环和安全性能。电池的4．00C和6．ooC充电容量分别为1．00C时的93．6％
和92．1％；4．00C、10．ooC、15．00C和20．00C放电容量均为1．00C时的95．O％以上；4．ooC充电、lO．00C放电循环
500次，容量保持率在93．O％以上。在过充电、外部短路、针刺、热冲击试验中，电池不起火、不爆炸。
关键词：锂离子电池；快速充电；高倍率放电；高功率；安全性能
中图分类号：TM912．9文献标识码：A文章编号：100l一1579(2011)04—0199一03
Them锄ufact盯eofhighp0袱骨Li-ionbatte呵稍thf：嬲tcharge
LIUXiao．hong
(胁Ⅳ曲融删呦cD．，￡磁．，D07船唧I，G∞ngdD叩523800，傩￡M)
Abstr躯t：HighpowerLi-i帆batterywithf幽tcha。gew鹊m蚰血帖tIlred．The8el∞tionoftheelect∞dematerial，theel∞trolyte
备y8lem曲dthed鹤igrIofektrodesystemwerestudied．Theperformanceoff缸tchrge，lIighmtedi∞h盯ge，thecyclewithf缸t
chalge，llighmtedischargeands出tyw舶t∞ted．Theclla。gec叩acityofthebatterywith4．00cand6．00Cw髓93．6％蚰d
92．1％ofl．00C，瑚p∞tivdy，thediscllarge∞pacitywith4．00C，lO．00C，15．00Cand20．00Cw够abm95．0％0f1．00C，
thec叩acity弛t蚰tionw嬲aboVe93．O％when。ycle500tim伪with4．ooCchrge明d10．00Cdi∞h盯ge．Thebatteryw鹪not
onfi陀明dexpki∞intheprooe鹪ofovercllarge，extenIalBhortci托Ilit，nail蚰dthermalshockte8ts．
1畸啪柑s：珏ionbat‘ery；fastchrge；highmtedi8charge；Kghpowcr；鼬如ty—南咖ar脱
电动工具、电动汽车用电池需要快速充放电，因而对锂
离子电池高倍率性能的研究受到了广泛重视【1．2J，但有关锂
离子电池在快速充电时高倍率放电性能的研究鲜见报道。
本文作者主要研究了锂离子电池快速充电性能、高倍率
放电性能以及快速充电高倍率放电循环性能，并对该快速充
电高功率型锂离子电池的安全性能进行了考察。
l电池的设计与制备
1．1电极材料的选择
目前，商业化的锂离子电池正极材料主要有LiC002、
“MIl204、LiFeP04及LiNi，Co，Mn：02等。LiC002性能相对
稳定，工作电压平台较高，但成本偏高，安全性能相对较差；
“MIl204成本低，但比能量低，且高温稳定性差、循环性能不
好；LiFeP04的原料来源广泛、价格便宜、无毒、对环境友好、
理论比容量高(约170mAh／异)，与其他材料相比，具有相对
适中的工作电压[3．4V(似．L∥Li+)]，且放电平台平稳，尤
其是热稳定好、安全性能优异、循环性能好和比能量高[3j，但
电导率低、大电流放电性能较差、振实密度低，制备的电池能
量密度低；“Nf，co，Mn：02的比容量高、循环性能稳定、成本
相对较低且安全性能良好，是高功率电池材料的有力竞争
者L引。考虑到国产LiNi，co，Mn。02的性价比较高，因此正
极材料选用国产LiNi；co，Mn：02(深圳产，工业级)。
锂离子电池石墨类负极材料主要为改性天然石墨和人
造石墨。改性天然石墨的比容量高、压实密度高，但倍率性
能相对较差，长期循环性能不太好。中间相炭微球(MCMB)
属于人造石墨，是锂离子电池常用的负极材料之一，不可逆
容量低，电性能及循环稳定性好，倍率性能优异，适用于高倍
率型锂离子电池。考虑到研究的18650型电池容量比较高
(1300mAh以上)，选用性价比较高的国产McMB(深圳产，
工业级，比容量高于330mAh／g)。
作者简介：
刘小虹(19r76一)，男，江西人，迈科科技有限公司研发总监，硕士，研究方向：锂离子电池。
万方数据
电池
BATTERYBlMONTHLY第4l卷
1．2电解液体系的选择
电解液对高功率动力型锂离子电池的充放电效率、倍率
性能、高低温性能、循环寿命和安全性能等有重要的影响。
经过对电解液溶剂、锂盐及功能添加剂特性的综合考虑，结
合研究的特性，确定电解液体系为：1．2moL／LLiPF6／EC+
DEC+EMc(体积比l：l：1)+多元功能添加剂(1．O％VC+
3．0％PS)(广东产，CP)，记为电解液A；1．0m彬LLiPF6／EC
+DEC+EMc(1：l：1体积比，广东产，CP)，记为电解液B。
1．3电极体系的设计
分两组实验，考察电极体系的影响，正极为一个铝极耳，
布置在极片中间，负极为铜镀镍双极耳，一个焊接在极片头
部，另一个焊接在极片中部，记为极耳组合c；正极为一个铝
极耳，布置在极片头部；负极为—个铜镀镍极耳，焊接在极片
头部，记为极耳组合D。极耳为O．1mm厚、5mm宽。
1．4电池的制备
将质量比为90：5：5的LiNi，Co，Mn：02、粘结剂聚偏氟
乙烯(美国产，≥99．99％)和导电剂碳黑SuperP(瑞士产，≥
99．99％)与溶剂N．甲基吡咯烷酮(广东产，≥99．8％)混匀
后，涂覆在20岬厚的铝箔(广东产，≥99．7％)上；将质量比
为95：3：2的McMB、粘结剂[等质量的羧甲基纤维素钠(广
东产，≥99．5％)、丁苯橡胶(韩国产，≥99．5％)]和导电剂碳
黑与溶剂去离子水混匀后，涂覆在lO肛m厚的铜箔(广东产，
≥99．7％)上。将涂覆好的正、负极片辊压(正极片压至100
胛厚，负极片压至80胛厚)、分条裁片(正极片宽度为55
mm，负极片宽度为57m舶)，每片极片约含9．98g活性物质。
以CeI辨r；d2320膜(美国产)为隔膜，经卷绕、入壳、焊接、干
燥、注液(每只电池注液5．0g)、封口及化成等工艺，制成标
称容量为1300mAh的动力型18650型锂离子电池。化成
工艺：以O．02C恒流充电至3．95V。每组电池各制作30
只，额定容量和内阻测试全部检测，其他测试样品为3只。
1．5性能测试
内阻：用RBM．200智能电池内阻测试仪(深圳产)测试
单体电池的内阻。
在3008W-5v／3A型检测柜(深圳产)和3008W-15v／
30A型检测柜(深圳产)上测试电化学性能。
额定容量：以O．50C恒流充电至4．20V，转恒压充电至
电流小于0．05C，再以O．50C恒流放电至2．75V。
快速充电性能：将同一电池以O．50C恒流充电至4．20
V，转恒压充电至电流小于O．05C，再以0．50c恒流放电至
3．00v，然后以1．00C、2．ooc、4．ooc和6．00c恒流充电
至4．20v，转恒压充电至电流小于O．05C。充电电流随循
环次数的增加而增加，各步骤之间间隔5min。
高倍率放电性能：将同一电池以0．50C恒流充电至
4．20V，转恒压充电至电流小于0．05c，再分别以1．00C、
4．00C、10．ooC、15．00c和20．00C恒流放电至2．75V。
放电电流随循环次数的增加而增加，步骤间间隔5min。
循环性能：以4．00c恒流充电至4．20V，转恒压充电至
电流小于O．05C，再以10．ooC恒流放电至2．75v，重复
500次。
安全性能：依据GB／T18287—2000《蜂窝电话用锂离子
电池总规范>[5】，对电池进行过充电、外部短路、针刺和热冲
击等4项安全性能测试。
2结果与讨论
2．1电极和电解液体系对电池内阻和倍率性能的影响
不同电解液体系和极耳组合搭配组成的电池的内阻和
倍率性能见表l。
表l不同电解液和极耳组合搭配电池的内阻和倍率性能
T龇lInterIlal弛穹istaIl∞andmteperfo珊an∞ofbattery
withdiffe托ntelectrolyte蛐dtabcombination
从表1可知，在相同电极体系的情况下，使用含多元功
能添加剂的电解液A的电池比使用电解液B的电池内阻更
低，倍率性能更好。文献[6]分析认为：电解液的电导率、电
解液及功能添加剂对首次充放电过程中石墨负极表面形成
薄、均匀致密固体电解质相界面(SEI)膜的特性等，是影响电
池倍率放电性能的主要因素之一。电解液A的电导率较大，
与负极材料的相容性较好，能确保电池较低的内阻和良好的
倍率性能，多元功能添加剂的加入，可保证电池的稳定性，特
别是长时间循环的稳定性。在相同电解液体系中，极耳材
质、厚度和宽度相同的情况下，负极片采用双极耳的电池的
内阻更低、倍率性能更好。极耳材质和数量是影响电池倍率
性能的重要因素。覃宇夏等L7J发现，采用铜带和双极耳，制
得的电池具有较小的内阻和良好的倍率性能，而采用镍带和
单极耳，制得的电池内阻大，倍率放电时的表面温度高。经
以上筛选，确定组别①的电池为后续研究对象。
2．2电池的额定容量和内阻
电池的平均额定容量测试的结果为1416mAh，高于设
计容量l300mAh，电池平均内阻为11．6mQo
2．3快速充电性能
电池在不同倍率时的充电曲线见图l，对应的充电容量
与1．00C容量之比见表2。
4·2
3．9
圣3．6
3．3
aO
O30060D90|o12∞15∞
Q／mA|I
图1不同倍率时电池的充电曲线
Fig．1Chargecunr瞪ofthebatteryatdifk弛ntr砒∞
万方数据
第4期刘小虹：快速充电高功率型锂离子电池的研制20l
表2
Tj姒e2
电池不同倍率的充电容量与1．00C充电容量之比
The他tioofclIargecapacityatdiffe陀ntmt伪and
1．00CcIlargec叩acityofthebattery
电渺c嘉嫂磊电流／c嘉娥忌
1．00100．O4．0093．6
2．0097．36．oo92．1
从图l和表2可知，电池以4．00C、6．00c快速充电，
充电容量分别为1．00c时的93．6％、92．1％，电池在高倍率
充电的情况下，恒流充电阶段的容量充电比例较高，恒压充
电平台较短，电池极化很小，表现出良好的快速充电性能。
2．4高倍率放电性能
电池在不同倍率时的放电曲线见图3，对应的放电容量
见表3。
容量比／％
图2不同倍率时电池的放电曲线
Fig．2Di∞11a79ecurv酋ofthebatterywithdifk陀ntmt髑
表3电池不同倍率的放电容量与1．00C放电容量之比
1铀舱3Themtioofdischrge∞pacityatdiffe瑚trat∞舳d
1．00Cdi8cha。gecapacifyofthebattery
电流／c矗裟磊电流／c嘉嫱忌
1．00100．O15．0098．6
4．∞96．120．oo99．1
IO．0097．5
从图3和表2可知，以4．00～20．00C放电，放电容量
与1．00C之比由96．1％升高至99．1％，呈现不断升高的趋
势。这主要是由于每个倍率循环间隔的时间仅为5min，间
隔时间较短，受温度的影响，放电容量有所升高。测试结果
表明，制备的电池的倍率特性良好。
2．5快速充电高倍率放电循环性能
电池4．00C充电、10．00c放电的循环性能见图3。
暮
、
釜
●
钵
Cyrlenuml)er
图3电池4．00c充电、lO．00C放电的循环性能
ng．3Cyckpe而珊anoeofthebatterywith4．00Ccllarge
and10。00CdiscIIar8e
从图3可知，电池循环500次，放电容量仍维持在
93．O％以上，具有很好的快速充电、高倍率放电的循环性能。
2．6安全性能
电池安全性能测试的结果见表4。
表4电池安全性能测试的结果
1．址Ile4Ther惜ultBofsafetyperformancet岛t8ofthehttery
从表4可知，电池的安全性能良好，符合标准GB／T
18287—2000的要求。
3结论
选用三元正极材料LiNi，Co，Mn；02和负极材料
MCMB，搭配以电解液体系1．2moL／LLiPF6／EC+DEC+
EMC(体积比1：l：1)+多元功能添加剂(1．O％vC+3．0％
PS)，并采用正极一个铝极耳、负极铜镀镍双极耳的电极体
系，可制备快速充电高功率型锂离子电池。
制备的电池除具备高倍率放电性能和良好的安全性能
以外，还具有良好的快速充电性能、快速充电高倍率放电循
环性能。
参考文献：
[1】KoⅫv姐M，T蛐igIlcIliI．synthesi8ofcarb蝴—。o砒eduFeP04
啪0pdrticl髑withhighrateperfom蛐∞inhthiums∞锄daryb砒一
t两鹤[J】．JPowHs伽r嘲，20lO，195(11)：366l一3酌7．
[2]zhuN。Liuw，x∞MQ，d口f．Graph蚰e嬲丑∞nductiveadditiw
to曲h蛐∞thehigh—ratecapabiliti∞ofcl∞tm8punLi4Tbol2for
lithium．i佃h吐teri∞[J]．ElectrochimActa，2010，55(20)：5813
—5818．
[3]PadlIiAK，N锄jund∞wa“yKs。G00d帅oughJB．Phosphp
oli“n∞∞positiVe．el∞trodemat廿ialsfor贼h盯ge出leUthium
htt谢鹤[J]．JElectr∞hemsoc，1997，144(4)：ll踮一l194．
[4]YabuuchiN，Oh锄kuT．NovdKthiumin鲫ti伽mat“al0fLiCoI／，
Nil／3MnI刀02foradv咖涮bthium—i佣htt“∞[J]．JPow口
S叫t嘟，2003，119—12l：171—174．
[5]GB／T18287—2000，蜂窝电话用锂离子电池总规范[s】．
【6]LIuxi^o．hong(刘小虹)．锂离子电池快速充电及高倍辜放电
性能[J]．Di帅”mJishu(电源技术)，20l1．35(7)：7酏一771．
[7]QlNYl卜Iia(覃宇夏)，LIQi(李奇)．xIoNGYi“g(熊英)，甜以．
锂离子电池高倍率放电性能的影响因素[J]．B札te珂Ⅸm蛐tUy
(电池)，2009，39(3)：142一144．
收稿日期：2011一03—28
万方数据
快速充电高功率型锂离子电池的研制
作者：刘小虹，LIUXiao-hong
作者单位：迈科科技有限公司,广东东莞,523800
刊名：电池
英文刊名：BatteryBimonthly
年，卷(期)：2011,41(4)
参考文献(7条)
1.GB/T18287-2000.蜂窝电话用锂离子电池总规范
2.YabuuchiN;OhzukuTNovellithiuminsertionmaterialofLiCo1/3Ni1/3Mn1/302foradvancedlithium-ionbatteries
[外文期刊]2003(119/121)
3.PadhiAK;NanjundaswamyKS;GoodenoughJBPhosphoolivinesaspositive-electrodematerialsforrechargeable
lithiumbatteries[外文期刊]1997(04)
4.ZhuN;LiuW;XueMQGrapheneasaconductiveadditivetoenhancethehigh-ratecapabilitiesofelectrospun
Li4Ti5O12forlithium-ionbatteries[外文期刊]2010(20)
5.覃宇夏;李奇;熊英锂离子电池高倍率放电性能的影响因素[期刊论文]-Batterybimonthly2009(03)
6.刘小虹锂离子电池快速充电及高倍率放电性能2011(07)
7.KonarovaaM;TaniguchiISynthesisofcarbon-coatedLiFePO4nanoparticleswithhighrateperformanceinlithium
secondarybatteries[外文期刊]2010(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dc201104008.aspx
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