剖析高镍锂电池高比能优势

2023-11-06      268 次浏览

锂离子电池具有比能量高,使用寿命长的优点,目前已成为卫星用储能电池的首选。商用的18650型锂离子电池由于技术成熟、尺寸标准、价格低廉,其在低成本微卫星领域已得到一定的应用。


随着锂离子技术的发展,高比能电池材料的开发向着高电压材料、高镍三元、5V高电压材料等方向发展。其中,高镍NCA材料具有比容量高,结构稳定性好的优点,成为高比能长寿命锂离子电池开发的重点材料之一。本文采用先进的经过包覆处理的高密度NCA材料,并通过对电极面密度、隔膜、电解液等设计参数的优化设计,电池结构密封性的优化,提高电池性能,制备了18650型高比能长寿命锂离子电池。


01、实验


1.1电池制作


分别将正、负极活性物质、导电剂和粘结剂以一定比例混合后,加入一定的溶剂搅拌均匀,正负极浆料分别涂覆到铝箔、铜箔上,电极碾压、分切后,烘干,卷绕,装配,焊接,注液,封口,制备成18650圆柱型锂离子电池。


1.2电池性能测试


倍率性能测试:在室温环境下,电池以0.2C恒流恒压充电到4.2V,0.01C截止,电池分别以0.2C、0.5C、1C放电到2.75V,记录电池容量。


加速循环寿命测试:在常温下,电池在4.20~2.75V电压范围,以0.5C/0.5C100%放电深度进行充放电循环,记录电池容量。


LEO轨道寿命测试:在常温下,以0.5C恒流恒压充电到4.2V,0.01C截止,以0.5C放电36min,然后电池以0.5C恒流恒压充电至4.20V后转0.5C电流放电,重复上述充放电循环,记录截止电压。


空间环境适应性:参照《GJB6789-2009空间用锂离子蓄电池通用规范》对电池进行密封性、稳态加速、随机振动、正弦振荡、冲击及热真空实验。


02、结果与讨论


2.1正极材料的选择


选择了三种不同型号的NCA材料制备18650实验电池,进行了电性能测试,具体实验结果见表1。


表1不同型号NCA电性能测试结果


从表1的数据可以看出,三种高密度NCA材料中,综合比容量发挥,循环寿命两方面的因素,材料3#更适合作为高比能长寿命锂离子电池的正极材料。


2.2电化学参数的优化


2.2.1电极面密度的优化


对A、B两种面密度电池进行倍率与循环寿命的对比,优化电池的面密度设计参数。A、B两种电池的倍率测试结果见表2。A、B两种电池的加速寿命测试曲线见图1。


表2电池的倍率放电数据


图1A、B两种面密度电池循环测试曲线


从表2倍率测试数据可以看出,A、B两种面密度设计的电池在0.5C、1C倍率条件下没有差异。从图1的循环曲线看,在循环到600次时,电池A的容量保持率为91.5%,电池B的容量保持率为89.5%,低面密度A具有更好的循环性能,但两种面密度电池的循环衰降趋势基本相同。目前低轨卫星的放电电流一般在1C以下,所以对于高比能电池,在保证电池性能的前提下,选择高面密度的电极设计。


2.2.2隔膜的优化


对实验电池进行电性能测试,测试结果见表3。


表3不同隔膜电性能测试数据


从表3中T、P电池(T为陶瓷涂层隔膜电池,P为PP/PE复合隔膜电池)的测试数据可以看出,在倍率性能上,两种隔膜的倍率性能基本相同,但陶瓷涂层隔膜具有更好的循环寿命,一方面陶瓷隔膜比普通的PP/PE隔膜具有更好浸润性,另一方面陶瓷涂层可以提高隔膜高电压下的抗氧化能力,可以有效提高电池的循环寿命。


2.2.3电解液的优化


对高比能长寿命电池来说,电解液与正负极的匹配性,浸润性与稳定性很大程度上决定了电池的性能。目前,电解液中常用的锂盐是六氟磷酸锂,通过对电解液溶剂配方与添加剂的调整,可以改善电极的浸润性,SEI成膜的致密性与稳定性,从而提高电池的性能[5-7]。J.R.Dahn等[8]讨论了各种电解液添加剂对电池性能的影响,认为要提高电池的循环性能,必须要添加电解液添加剂,使正负极形成钝化膜,降低电荷转移电阻,降低副反应。


对采用了不同溶剂配方与添加剂的电解液实验电池进行性能测试,其加速循环寿命测试结果见图2。


图2不同电解液电池循环测试曲线


从加速循环寿命测试可知,03#电解液表现出更好的循环稳定性,加速循环寿命测试500次时,容量保持率为93.6%。


2.3电性能及环境适应性研究


2.3.1容量及倍率


通过正极材料的筛选与电化学参数的优化,电池密封结构的优化,制备了空间用容量为2.852Ah的18650电池,电池的测试结果见表4。


表4电性能数据


由表4电池的测试数据可知,电池比能量可以达到252Wh/kg,对电池进行倍率性能测试,电池0.5C放电容量为2.832Ah,容量保持率为99.3%,1C放电容量为2.826Ah,容量保持率为99.1%。这证明电池的倍率性能良好。


2.3.2LEO循环寿命


参照卫星LEO轨道循环制度,对电池进行地面模拟LEO轨道寿命评估,图3为电池的LEO轨道寿命循环曲线。从图中可以看出,电池在进行了1.0万次循环后,放电截止电压仍然在3.7V以上,地面模拟寿命长达2年,循环性能良好。


图3LEO轨道寿命循环曲线


2.3.3空间环境适应性


参照《GJB6789-2009空间用锂离子蓄电池通用规范》对研制的电池进行密封性测试,电池的漏率为1.4×10-10~2.1×10-10Pa•m3/s,漏气率均小于1×10-7Pa•m3/s,检测结果满足要求。


参照《GJB6789-2009空间用锂离子蓄电池通用规范》对研制的电池进行稳态加速、随机振动、正弦振荡、冲击及热真空实验。实验过程中电池的电流及电压均未发生突变,且实验完成后电池无任何机械损伤,检测结果满足要求,本文不再展示放电曲线。


参照《GJB6789-2009空间用锂离子蓄电池通用规范》对研制的电池按照表5测试条件进行热真空实验,图4为电池在热真空循环过程中首次低温放电曲线与末次高温充电曲线。


表5热真空实验条件


图4热真空首次低温放电曲线与末次高温充电曲线


如图4所示电池在热真空实验过程中,充放电正常,实验后,蓄电池无变形、无开裂、无漏液。满足空间环境适应性要求。


03、结论


通过对正极材料的选型优化,电极面密度、隔膜、电解液等重要电化学参数的设计优化,电池密封结构的优化,制备了NCA体系2.852Ah18650电池,电池比能量达到252Wh/kg,1C倍率放电容量保持率为99.1%,地面模拟LEO轨道寿命长达2年以上,并且通过了《GJB6789-2009空间用锂离子蓄电池通用规范》的环境适应性实验,可应用于微小卫星电源系统,满足商业航天发展对航天器产品提出的轻小型、低功耗、高可靠的要求。电源技术杂志


相关文章

推荐品类

为您推荐

东莞市钜大电子有限公司 粤ICP备07049936号