大功率锂电池该如何选择？与普通锂电池相比又有什么不同？
来源：宝鄂实业
2019-04-25 09:08
点击量：次
提高锂离子电池功率密度最为有效的办法是降低正负极的厚度，例如LCO3和LCO6HV电池的正极和负极厚度分别为42-55um和58-59um，而其他电池正极和负极厚度则为20-35um和26-42um，因此LCO3和LCO6HV的功率密度仅为1770-2000W/kg，远低于其他电池（>3700W/kg）。提高功率密度的另外一个方法就是提高导电剂的含量，例如LCO4和LCO2电池的碳含量为3.2-3.8%，其功率密度为3700-4100W/kg，而碳含量达到5.4-5.5%的其他电池的功率密度可达5400W/kg以上（这里的碳不仅仅来自导电剂，还有粘结剂中的碳元素）。影响锂离子电池的功率密度的另外一大因素就是活性物质的形貌，LCO颗粒较大的LCO7HV电池功率密度为5400W/kg，而采用小颗粒LCO的LCO5电池的功率密度可达7600W/kg。
下图为几种不同体系的锂离子电池的在1C充电和不同倍率放电的循环曲线，可以看到不同的电池在循环性能上存在明显的差距，采用高压LCO材料的电池LCO6HV和LCO7HV电池在前10次循环中容量损失就超过了10%，这可能与高电压下正极表面形成一层钝化膜有关系。其次，放电倍率对于电池的衰降速度也有显著的影响，对于LCO5和LCO7HV将放电倍率从25C提高到45C则循环次数会降低到原来的1/2和2/3，如果将放电倍率降低到1C，则电池的循环寿命还将大幅提升，大多数的电池的循环寿命都能够超过1500次，LCO1、LCO2、LCO7HV和LFP2电池在循环1500次后容量保持率仍然能够达到90%以上，而LCO5和LFP1可达85%以上。
为了分析在高倍率下循环后锂离子电池循环寿命的衰降原因，作者将经过高倍率放电循环后的电池进行了解剖，下图为几种电池负极的SEM照片，从图中能够看到除了LFP2电池，其他几种电池的负极循环后惰性层的厚度都大幅增加，特别是对于球形负极而言（LCO5、LCO6HV和LCO7HV电池负极），惰性层生长尤为严重，原本负极颗粒的形貌几乎无法辨认。
下图为正极在循环后的形貌，从图中能够看到正极在循环后，LCO颗粒的表面也出现了惰性层（图中的亮色部分），但是相比于负极惰性层的厚度明显要更薄，而LFP正极在经过循环后形貌没有发生明显的变化，表明LFP材料良好的稳定性。
下图为LCO2、LCO7HV和LFP1电池在循环前后的交流阻抗图谱，从图中能够看到EIS曲线主要由高频区电感、高频区的半圆、中频区半圆和低频区的扩散曲线构成，采用下图中的等效电路进行拟合，其中R1位欧姆阻抗，R2位SEI膜阻抗，R3为电荷交换阻抗，不同倍率循环后不同电池的R1、R2和R3电阻的变化如下表所示，可以看到对于电池LCO1、LCO2、LCO4和LCO5在高倍率循环后R1和R2增加要明显快于低倍率循环，这可能是因为高倍率循环中这几款电池的温度更高，因此导致电解液在负极的分解更加剧烈，导致SEI增厚，因此R2增加，同时电解液大量分解导致欧姆阻抗R1也出现了显著的增加。而电池LCO3无论是在低倍率，还是在高倍率下衰降都很快。而两种采用LFP正极的电池表现也很不相同，对于LFP1电池，无论是高低倍率，还是循环次数长短，其R3都增加了将近十倍，而LFP2电池在循环过程中阻抗值几乎没有发生改变，这表明即便是相同体系的电池的衰降机理也可能并不相同。
下图为几种不同体系的锂离子电池的在1C充电和不同倍率放电的循环曲线，可以看到不同的电池在循环性能上存在明显的差距，采用高压LCO材料的电池LCO6HV和LCO7HV电池在前10次循环中容量损失就超过了10%，这可能与高电压下正极表面形成一层钝化膜有关系。其次，放电倍率对于电池的衰降速度也有显著的影响，对于LCO5和LCO7HV将放电倍率从25C提高到45C则循环次数会降低到原来的1/2和2/3，如果将放电倍率降低到1C，则电池的循环寿命还将大幅提升，大多数的电池的循环寿命都能够超过1500次，LCO1、LCO2、LCO7HV和LFP2电池在循环1500次后容量保持率仍然能够达到90%以上，而LCO5和LFP1可达85%以上。
为了分析在高倍率下循环后锂离子电池循环寿命的衰降原因，作者将经过高倍率放电循环后的电池进行了解剖，下图为几种电池负极的SEM照片，从图中能够看到除了LFP2电池，其他几种电池的负极循环后惰性层的厚度都大幅增加，特别是对于球形负极而言（LCO5、LCO6HV和LCO7HV电池负极），惰性层生长尤为严重，原本负极颗粒的形貌几乎无法辨认。
下图为正极在循环后的形貌，从图中能够看到正极在循环后，LCO颗粒的表面也出现了惰性层（图中的亮色部分），但是相比于负极惰性层的厚度明显要更薄，而LFP正极在经过循环后形貌没有发生明显的变化，表明LFP材料良好的稳定性。
下图为LCO2、LCO7HV和LFP1电池在循环前后的交流阻抗图谱，从图中能够看到EIS曲线主要由高频区电感、高频区的半圆、中频区半圆和低频区的扩散曲线构成，采用下图中的等效电路进行拟合，其中R1位欧姆阻抗，R2位SEI膜阻抗，R3为电荷交换阻抗，不同倍率循环后不同电池的R1、R2和R3电阻的变化如下表所示，可以看到对于电池LCO1、LCO2、LCO4和LCO5在高倍率循环后R1和R2增加要明显快于低倍率循环，这可能是因为高倍率循环中这几款电池的温度更高，因此导致电解液在负极的分解更加剧烈，导致SEI增厚，因此R2增加，同时电解液大量分解导致欧姆阻抗R1也出现了显著的增加。而电池LCO3无论是在低倍率，还是在高倍率下衰降都很快。而两种采用LFP正极的电池表现也很不相同，对于LFP1电池，无论是高低倍率，还是循环次数长短，其R3都增加了将近十倍，而LFP2电池在循环过程中阻抗值几乎没有发生改变，这表明即便是相同体系的电池的衰降机理也可能并不相同。
