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LiFePO4以其环境友好、原材料来源丰富、比容量高、循环性能及安全性能好等显著特点,已成为二次锂离子动力电池的首选正极材料。目前对LiFePO4电池的研究主要集中在高性能LiFePO4材料的制备上,对LiFePO4电池工程化制造技术的研究报道较少。尤其是LiFePO4材料本身的缺陷,导致一直存在加工性能差、容量发挥困难、电池体积容量低等电池制造技术难点,已成为LiFePO4电池商业化生产与应用的主要障碍。
本文选择国产高性能LiFePO4材料,采用液态锂离子电池制造工艺,结合多种锂离子电池测试方法,系统研究了不同工艺技术条件对LiFePO4电池的克容量发挥、循环性能、倍率性能等电化学性能的影响,综合评价了以最佳工艺参数条件制备的LiFePO4电池的充放电性能、循环性能、倍率性能、电压特性、内阻、高低温特性、存储特性以及安全性能,获得如下主要结论:
(1)研究了不同粘接剂体系下电池的充放电性能和循环寿命,确定PVDF+NMP粘接剂体系更适合LiFePO4电池性能的发挥,0.5C循环200次后,电池容量保持率为95%;而水性粘接剂衰减较快,容量保持率只有93%。
(2)研究比较了不同LiFePO4材料的加工性能、充放电性能以及循环寿命,优选出合适的LiFePO4材料,其质量比容量为138.8 mAh/g,电压平台约3.25V,0.5C循环200次后的容量保持率为95.2%。
(3)研究了负极材料对LiFePO4电池理化性能的影响,筛选出适合LiFePO4电池的A型负极材料,0.5C循环200次后的容量保持率为95%;研究了采用不同电解液的LiFePO4.电池的倍率性能和循环寿命,发现007型电解液体系,可有效改善电池性能。
(4)研究了正负极混料工艺、电极中导电剂与粘接剂含量、正负极容量比、面密度和压实密度、卷绕、脱气时间、注液工艺以及化成制度对电池性能的影响,确定了LiFePO4电池制造的关键工艺参数,主要包括:导电剂与粘接剂含量分别为6%和7%,正负极容量比为1:1.02~1:1.05,面密度为3.0-3.2g/dm2,压实密度为2.2g/cm3,脱气时间大于48h。
(5)在最佳工艺参数条件下制造了204468型LiFePO4电池,电池放电平台电压约3.2V,550次循环后容量保持率大于92%,5C大电流放电容量保持86%,内阻低,电压特性和高温性能优良,安全性能超过了国标水平,但低温性能较差。