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【鋰知道】磷酸鐵鋰電池高溫存儲性能衰減機理!

2019-06-11 08:49 性質:轉載 作者:CRALIFT 來源:CRALIFT
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導讀CATL以其商業化磷酸鐵鋰電池為樣本,探索其在滿電態、60℃存儲容量損失的原因。通過物理表征和電化學性能評價,從電池和極片層級系...

導讀

  CATL以其商業化磷酸鐵鋰電池為樣本,探索其在滿電態、60℃存儲容量損失的原因。通過物理表征和電化學性能評價,從電池和極片層級系統地分析電池容量衰減的機理。非常值得探討交流!

  以磷酸鐵鋰為陰極的鋰離子電池具有安全性高、循環壽命長的優點,是目前電動汽車的主流電池。電池長期在高溫工作會縮短其壽命,探索高溫存儲過程中動力鋰離子電池的容量損失原因有助于深入理解鋰離子電池的失效模式、提升電池性能。

  雖然已有大量文獻研究了鋰離子電池容量損失的原因,并把原因歸結于電解質還原分解、SEI膜生長增厚及由此導致的電池極化變大等,但目前的研究大多局限于扣式(半)電池,對商品化鋰離子電池(全電池)的失效原因研究較少。寧德時代CATL以其商業化磷酸鐵鋰電池為樣本,探索其在滿電態、60℃存儲容量損失的原因。通過物理表征和電化學性能評價,從電池和極片層級系統地分析電池容量衰減的機理,非常值得探討交流!

1. 實驗過程

  實驗使用CATL生產的標稱容量為86Ah的方形磷酸鐵鋰電池。該電池以LiFePO4為陰極材料,石墨為陽極材料,使用聚乙烯(PE)隔膜和碳酸酯基LiPF6電解液。選取同一批次、電性能接近的20個電池進行存儲,測試電池的電性能。100%SOC電池60℃存儲一定時間后,在2.50~3.65V之間以0.5C倍率進行一次放電-充電循環。然后將滿充電池繼續在60℃存儲。如此反復,記錄電池的容量衰減過程。在每次容量測試過程中,測試電池5C 30 s的直流內阻(DCR)。

  取經過不同存儲時間且處于完全放電狀態(100%DOD)的電池,在充滿Ar氣的手套箱中進行拆解。使用場發射掃描電子顯微鏡觀察極片形貌,使用比表面分析儀測試極片比表面積。在手套箱中用透明膠帶將電極片密封,使用X射線衍射儀分析電極材料物相組成。

  以滿充電池拆解后的極片為工作電極,鋰片為對電極,裝配成CR2032扣式電池,考察陰陽極片的電化學性能。用電化學工作站測試扣式電池的電化學阻抗譜。使用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)分析電極片的元素含量。

2. 結果討論

2.1 電池性能分析

  圖1為電池容量衰減及充放電性能。如圖1(a)所示,隨著存儲時間的延長,電池容量逐漸衰減。在存儲時間達到575d時,電池容量衰減為初始容量的85.8%。

  以0.02C小倍率對電池進行充放電,圖1(c)中電池電壓曲線中包含鋰離子嵌入脫出石墨導致的多個平臺,說明0.02C倍率已經為鋰離子嵌入脫出過程中石墨結構的弛豫提供了足夠的時間,可以有效消除極化對循環造成的影響。

圖 1 電池容量衰減及充放電性能

  與0.5C[圖1(b)]倍率相比,將充放電倍率降低到0.02C只能使存儲181和575d電池的容量保持率增加0.8%(90.7% vs. 91.4%)和1.4%(85.8% vs. 87.3%)。因此,長期高溫存儲導致的電池容量衰減是不可逆的容量衰減。此外,圖1(a)顯示,電池的直流內阻隨存儲時間延長而增大的幅度并不顯著,這也說明電池內部極化不是導致日歷存儲電池容量不可逆衰減的主要原因。

2.2 電池容量衰減機理分析

  為了分析電池容量衰減根源,將經過高溫存儲的電池以1C倍率充電至100%SOC或者放電至100%DOD后拆解。分析拆解出來的極片,以考察高溫存儲對陰陽極活性材料結構、元素組成和電化學性能的影響。

2.2.1 物相分析

  圖2為經過不同高溫存儲時間電池陰極片在100%DOD時的XRD圖。與LiFePO4及FePO4的XRD標準譜比較,極片所有衍射峰都對應于LiFePO4相或FePO4相,未檢測到雜相。

圖 2 不同存儲時間的電池陰極的XRD譜圖

  深度脫鋰的LiFePO4中會出現與FePO4 XRD圖譜非常接近的貧鋰相,而深度嵌鋰的LiFePO4中會出現與LiFePO4 XRD譜圖非常接近的富鋰相。在完全放電態的LiFePO4極片中同時存在貧鋰相和富鋰相,且貧鋰相含量隨存儲時間延長而增加,說明能夠嵌入FePO4晶格中的鋰離子數量減少。

2.2.2 高溫存儲后電極片的電化學性能

  將不同存儲時間的電池在100%SOC拆解,以其中的極片作為工作電極、鋰片作為對電極制作扣式電池,以0.1C倍率進行充放電測試(圖3)。

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