日置3554内阻测试仪使用(导电剂对锂离子电池性能的影响)

Posted 2023-05-28

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日置3554内阻测试仪使用(导电剂对锂离子电池性能的影响)

石墨和炭黑具有导电性好、密度小、结构稳定以及化学性能稳定等特性，是在锂离子电池领域广泛应用的两类导电剂。本文以KS-6为石墨类导电剂的代表，以LITX和Super-P为炭黑类导电剂的代表，以LiFePO4为正极活性物质，人造石墨为负极活性物质，研究了导电石墨KS-6分别与两种导电炭黑LITX、SP组成的双组分导电剂对锂离子电池性能的影响。

1 实验

1.1 电池的制备

将导电炭黑LITX和SP分别与导电石墨 KS-6 混合，制成双组分导电剂。正极活性物质LiFePO4与导电剂、HSV900聚偏氟乙烯粘结剂，按质量比93.5∶3∶3.5混合，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，制成正极浆料。将负极活性物质石墨、导电剂SP、粘结剂羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按质量比94:2∶1.5∶2.5混合，以去离子水为溶剂制成负极浆料。

将正、负极浆料分别涂覆于20um厚的铝箔、9um厚的铜箔上，控制正、负极双面面密度分别为0.0456和0.0187g/cm2，然后在真空度<-0.08MPa，130℃的条件下干燥8h，以33MPa的压力辊压。按本公司的生产工艺制成LFP1965140型13Ah锂离子电池。隔膜为Celgard2325膜，电解液为1.0 mol/L LiPF6/(EC+EMC+DMC)，注液量为(66.5± 0.5) g。

1.2 导电剂、极片和电池性能测试

在导电剂基本性能测试中，用Mastersizer 2000激光粒度仪对两种导电炭黑进行粒径的测试，用赛多利斯PB-10型酸度计测试pH值，用SSA-3600比表面积分析仪进行比表面的测试，用DAT-6-220-50振实密度计进行振实密度的测试，用KT-2000灰分测试仪进行灰分的测试，用HB43-S水分测定仪进行水分的测试，用PinAAde 900T原子吸收红外分光仪进行金属杂质含量测试。

极片性能测试中，用XLW(PC)智能电子拉力试验机对极片进行抗拉强力和180°剥离强度的测试，用SZT-D型半导体粉末电阻率测试台进行极片电阻率的测试。

内阻及容量测试中，用HIOKI 3554电池电压内阻测试仪对充满电的单体电池进行内阻测试，用新威512分容柜进行电池容量的测试。

高温搁置测试中，用DHP-600电热恒温培养箱提供高温环境，选10只常规性能正常的电池以0.5C的电流充放电循环3周，充满电后，在(55±2)℃下储存7天，然后在同一温度下，以0.33C放电至2.0V，再充满电，再以0.33C放电至2.0V，测量储存前后电池的内阻及电压变化，计算容量保持率及容量恢复率。

倍率性能测试中，用CT-3008W-SVIOA-F高精度电池性能测试系统进行充放电测试，在室温下，对电池依次以0.33C、0.5C、1.0C、1.5C、2.0C、3.0C、4.0C和5.0C进行充放电测试，截止电压为2.0V。

混合动力脉冲能力特性(HPPC)测试中，用CT-3008WSVIOA-F高精度电池性能测试系统进行充放电测试，在常温下以1C电流及区间充放电循环，使容量达到稳定，充放电区间为3.65~2.0V，最大脉冲放电倍率是5C，恒压截止电流是0.02C。

低温性能测试：由DW-FW110超低温实验箱(重庆)提供低温环境，将电池充满电后放入低温箱中平衡4h，进行-20℃、1.0C放电测试，放电截止电压为2.0V。

2 结果与分析

2.1 基本物化性能数据

由表1中数据可以看出，LITX和SP的粒径分布大小相差不大，SP较小。LITX的pH呈中性，SP的pH为10.11，呈现碱性。两者相比，LITX有着较小的比表面积、灰分和较大的振实密度、水分，二者中Fe、Ni、Mn、Zn的含量没有很大差异。

2.2 极片性能测试

由表2数据显示，以LITX+KS-6为导电剂的极片与以SP+KS-6为导电剂的极片相比，两者剥离强度大小相近，平均拉伸力略小于以SP+KS-为导电剂的极片，但是 LITX+KS-6为导电剂的极片的力值分布范围均匀，以SP+KS-6为导电剂极片的最大力与最小力差值较大。LITX+KS-6为导电剂的极片的电阻率大于SP+KS-6 为导电剂极片的电阻率。

2.3 电池基本性能

2.3.1 内阻和容量

电池分容的目的是分析电芯容量大小，活化电芯。分容是容量分选、性能筛选分级，是对电池实际容量进行检测。通过图1电池分容后的内阻和容量可以看出，以LITX+KS-6为导电剂的电池的内阻平均值大于以SP+KS-6为导电剂的电池，前者内阻值分布范围均匀，有着较高的容量。

2.3.2 高温搁置7天后的电池性能

高温搁置可以衡量电池的可靠性，如自放电、贮存性能和高温性能等。从图2可以看出，高温搁置后的电池内阻普遍高于分容后电池的内阻，可能是由于高温搁置期间经过修补的负极SEI膜增厚与致密导致了电池内阻增大。图2中数据显示，与LITX+KS-6为导电剂的电池相比较，以SP+KS-6为导电剂的电池有着较小的内阻和内阻增率。

由图3和图4中的数据可以看出，高温搁置后以LITX+KS-6和SP+KS-6为导电剂的电池的容量都普遍低于分容后电池的容量，两者相较，以LITX+KS-6为导电剂的电池有着较高的保有容量、容量保有率和恢复容量、容量恢复率。

2.3.3 电池倍率充放电性能

倍率性能指在多种不同倍率充放电电流下表现出的容量大小、保持率和恢复能力，是衡量电池性能的一个重要指标。通过比较图5中电池倍率充电性能可以看出，在以高倍率3.0C、4.0C和5.0C充电的情况下，以LITX+KS-6 和 SP+KS-6为导电剂的电池的充电性能十分相似，而在以0.33C、0.5C、1.0C、1.5C和2.0C充电的情况下，以LITX+KS-6为导电剂的电池的充电电压和容量都高于以SP+KS-6为导电剂的电池。

图6中电池倍率放电性能显示，在以各个倍率放电的情况下，以LITX+KS-6和SP+KS-6为导电剂的电池有着相似的放电性能。

2.3.4 混合动力脉冲能力特性

混合动力脉冲能力特性(HPPC)是体现动力电池脉冲充放电性能的一种特征，HPPC测试可以完成对电池直流内阻的测试，内阻是衡量电池性能的重要指标，内阻小的电池大电流放电能力强，内阻大的电池则相反。

通过图7中不同SOC下电池充放电的内阻数据可以看出，在充、放电的情况下，随着SOC的不断减小，以LITX+KS-6和SP+KS-6为导电剂的电池的内阻都逐渐呈现增大的趋势，两者相较，以LITX+KS-6为导电剂的电池的充放电内阻都大于以SP+KS-6为导电剂的电池的内阻。图8显示，随着的不断减小，无论是在充电还是放电的情况下，以SP+KS-6为导电剂的电池的比功率都大于以LITX+KS-6为导电剂的电池的比功率。

2.3.5 低温-20 ℃、1.0C放电性能

在低温条件下，电池的放电性能一般会有明显下降，电池放电初期由于存在极化现象会形成一个压降，后面电压的轻微反弹是由于电池开始放电后电流产热，电池内部温度开始升高，低温下的极化现象有所改善形成的。

由表3可知，以LITX+KS-6为导电剂的电池的初始容量为13088mAh，放电后容量为3950mAh，容量保持率为30.18%，而以SP+KS-6为导电剂的电池的初始容量为12860mAh，放电后容量为5994mAh，容量保持率为46.61%，低温-20℃、1.0C放电情况下，以SP+KS-6为导电剂的电池的容量保持率稍高于以LITX+KS-6为导电剂的电池。

图9显示出，以SP+KS-6为导电剂的电池的放电电压和放电容量均高于以LITX+KS-6为导电剂的电池，两者相比较，以SP+KS-6为导电剂的电池有着较好的低温1.0C放电性能。

3 结论

通过对两种导电炭黑LITX和SP的物化性能表征，发现两者差异不太大。以LITX+KS-6和SP+KS-6为导电剂制成的极片性能测试结果显示，两者剥离强度大小相近，前者的平均拉伸力略小于后者，电阻率较大于后者；通过对以LITX+KS-6和SP+KS-6为导电剂的电池的电性能测试，发现分容后以LITX+KS-6为导电剂电池的内阻大于以SP+KS-6为导电剂的电池，但有着较高的容量；高温搁置 7 天后的数据表明，以SP+KS-6为导电剂的电池有着较小的内阻和内阻增率，以LITX+KS-6为导电剂的电池有着较高的保有容量、容量保有率和恢复容量、容量恢复率；倍率充放电性能测试结果显示，在不小于3.0C充电的情况下，两种电池的充电性能十分相似，而在低于 3.0C充电的情况下，以LITX+KS-6为导电剂电池的充电电压和容量都高于以SP+KS-6为导电剂的电池，在以各个倍率放电的情况下，两种电池有着相似的放电性能；

HPPC性能测试结果显示，在充、放电的情况下，随着SOC的不断减小，两种电池的内阻都逐渐呈现增大的趋势，且以LITX+KS-6为导电剂的电池的充、放电内阻都大于以SP+KS-6为导电剂的电池的内阻，以SP+KS-6为导电剂的电池的功率密度都大于以LITX+KS-6为导电剂电池的功率密度；低温1.0C放电性能测试结果表明以SP+KS-6为导电剂的电池有着较好的低温1.0C放电性能。

文献参考：刘中奎, 左阳, 马留可. 导电剂对锂离子电池性能的影响[J]. 电源技术, 2018, v.42；No.335(08):22-24+45.