高性能18650型锂离子蓄电池

电源技术

研究与设计

[/ M/ @ /? [/[

高性能18650型锂离子蓄电池

张泽波，刘秀生，薛

梅，杨清欣，汪继强

（信息产业部电子第十八研究所，天津300381）

摘要：研究试验了锂离子蓄电池的不同电极材料及电极成型工艺，分别制成了以氧化钴锂（LiCoO2）和氧化镍钴锂（LiNi0.8Co0.2O2）为正极，中间相炭微珠（MCMB）为负极的18650型锂离子蓄电池。电池的放电容量分别大于1550mAh和1700mAh。电池比能量达到了130Wh/kg和350Wh/L。在室温条件下，其容量0.5C电池的循环寿命1000次时，仍为初始容量的60%、终止电压2.5V的条件下，放电容量为70%。以氧化钴锂为正极的电池在-40C、0.2C速率、室温容量的60%。实验结果表明，电池安全可靠。

关键词：锂离子蓄电池；氧化镍钴锂；氧化钴锂；中间相炭微珠中图分类号：TM912.9

文献标识码：A

文章编号：（2001）1002-087X02-0098-03

18650sizelithium-ionrechargeablebatterywithadvancedperformance

ZHANGZe-bo，LIUXiu-sheng，XUEMei，YANGOing-xin，WANGJi-giang

（Tian inInstituteofPowerSources，Tian in300381，China）

Abstract：Variouseiectrodemateriaisandeiectrodeprocessesforiithium-ionbatterieswereinvestigatedandtest-ed.The18650sizeiithium-ionbatteries，usingLiCoO2、LiNi0.8Co0.2O2ascathodeeiectrodeandMCMBasanodeeiectrode，wereconstructed.Thedischargeexperimentswerecarriedoutatvarioustemperaturesandcur-rentdensities.Theresuitsshowthatceiisdischargecapacityisover1550mAhand1700mAh（respectiveiy）andthespecificenergyis130Wh/kgand350Wh/L.Thebatteries’cycieiifeisover1000timesatroomtem-70%oftheinitiaicapacity.Thedischargecapacityofthebatterywithperature，anddischargecapacityis60%、

LiCoO2/MCMBat-40C、0.2C、2.5V（terminaivoitage）is60%ofdischargecapacityatroomtemperature.Thesafetyexperimentresuitsshowthatthebatteriesaresafeandreiiabie.

Keywords：iithium-ionbattery；iithiumnickeicobaitoxide；iithiumcobaitoxide；mesocarbonmicrobeads

锂离子蓄电池自1991年商品化以来发展迅速。目前它不但广泛用于摄象机、笔记本电脑、蜂窝电话等便携式电子设施，而且正在成为电动车、军事通讯、航天、航空领域电子设施的候

［1］选电源。这就要求电池具有更高的比能量、更长的工作寿命

放电效率的关系，并试验了负电极成型工艺条件。1.2

电液体系的筛选

对电解质为1moi/LLiPF6，以碳酸乙烯酯（EC）为主体的不同组分〔包括碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸乙甲酯（EMC）、碳酸丙烯酯（PC）等〕和比例的多元电液体系进行试验。研究了其与电极材料的相容性和对电池容量、充放效率、循环寿命、倍率特性、温度特性的影响。1.3

电池工艺参数的设计和电极的制作

根据材料的试验结果，设计了电池正负极活性物质的配比及电极的工艺参数。将正极活性物质与一定比例的添加剂均匀混和，加到聚偏二氟乙烯/N甲基吡咯烷酮（PVDF/NMP）粘结液中，搅拌均匀，制成正极浆料，均匀涂于铝箔基体上。经过烘干、压片、裁片等工艺制成正电极。按同样方法制成负电极。负电极基体为铜箔。1.4

电池的制作及实验

将正负电极和聚乙烯/聚丙烯（PE/PP）（Ceigard2300）复合隔膜卷绕成极芯，电液为1moi/LLiPF6/EC+DEC+DMC，制成18650型电池。电池采用恒流限压、恒压限流的充电机

及良好的高、低温放电特性。为此我们试验了高性能的正极材料氧化钴锂、氧化镍钴锂和负极碳材料—中间相炭微珠，对电池设计进行优化，改进电极成型工艺，筛选不同组分和配比的电液体系，研制出具有高性能的18650型锂离子蓄电池。11.1

实验

材料的试验和选择

以金属锂为负极，采用扣式电池试验了正极材料LiCoO2

和LiNi0.8Co0.2O2的充放电特性。充放电压范围3.0~4.2V，充放电流密度0.2mA/cm2。

研究了负极炭粉MCMB颗粒度及其分布与电池容量及充

收稿日期：2000-09-14

作者简介：张泽波（1945—），男，河北省人，高级工程师。（1945—），maie，seniorengineer.Biography：ZHANGZe-bo

98

电源技术

研究与设计

[/ M/ @ /? [/[

平均每次循环容降0.04%。电池以1!、2!速率放电容量分别为初始容量的99.4%和98.9%。电池具有良好的低温放电特性，在-20

制，充放电压范围为2.75~4.1V。电池化成电流为0.2!，循环寿命试验的电流为1a。

按ICR18650电池的技术条件，进行了电池的倍率（1!、2、低温（-20C、、循环寿命试验及安全特!）-30C、-40C）性试验。其中安全特性试验包括过充（3!充电、限压10V）、短路（电阻小于50m!线路内短接）、冲击（10kg重物、2/3m

高度落下撞击）、针刺（!3.5mm尖针刺透）、热箱（150C环境下放置）等。所有试验数据由计算机自动采集，试验现象远程可视化监控记录。电池的电性能试验在arbinBT-2401自动充放电仪上进行。!

结果和讨论

由Lini0.8CO0.2O2的X射线衍射图（图1），可知此材料是以LiniO2为主体的三方晶系结构。Lini0.8CO0.2O2材料的第一次充放电比容量分别为180mah/g和150mah/g。这明显高于LiCOO2的比容量。而且它的第一次高的充电容量为电池的设计提供了良好的基础。因为锂离子蓄电池的碳电极在第一次充电时，要在其表面生成一层固体电解质保护膜，消耗一定量的正极活性物质成为不可逆容量。采用Lini0.8CO0.2O2作正极时，

电池设计不必考虑过多增加正极活性物质量。

图4MCMB-LiCOO2电池倍率放电曲线C以0.5!速率放电容

Fig.4DischargecurvesOfMCMB-LiCOO2量达到初始容量的91%；cellsatrOOmtemperatureandvariOusrates

以0.3!

速-30C时，

率放电容量达到了初始容量的80%；在-40C时以0.2!速率放电达到了初始容量的60%。电池良好的低温放电特性主要是电极材料和电

图5MCMB-LiCOO2电池低温放电曲线

其是正极材料的良好导Fig.5DischargecurvesOfLiCOO2/

MCMBbatteriesatlOwtemperature电特性，极化电阻小、

荷

液共同作用的结果。尤

电能力强，以及电液体系在低温-40C仍有一定

［2］

的电导率。

图6~图8是以Lini0.8CO0.2O2为正极MCMB为负极的18650

图1Fig.1

Lini0.8CO0.2O2的XRD图XRDpatternOfLini0.8CO0.2O

2

MCMB-Lini0.8CO0.2O2

电池循环寿命曲线Fig.6CyclelifecurvesOfMCMB-Lini0.8CO0.2O2batteries图6

型锂离子蓄电池放电特性曲线。电池的放电容量大于1700mah，电池在室温、充放电压2.75

~4.1V、1a放电电流、循环100%DOD条件下，寿命超过1000次，平均每次循环容降0.04%。电池良好的循环寿命主要得益于电极在电解液

由图2负极炭粉MCMB的颗粒度分布与电池充放效率关系曲线可知，当炭粉平均粒度由10"m

增加到25"电池的充m时，放电效率由87%提高到

图2

颗粒度与充放电效率的关系Particlesizevs.efficiency

90.6%。并且在优化的电液体系中，电池的充放电效率可提高到近92%

。通过改进电极成型加工工艺，提高了电池循环的稳定性。

图3~图5是以Li-COO2为正极、MCMB为负极的18650型锂离子蓄电池的放电特性曲线。

由图可知，放电容量大

Fig.2

MCMB-Lini0.8CO0.2O2

电池倍率放电曲线

Fig.7DischargecurvesOfMCMB-Lini0.8CO0.2O2batteriesatvariOusrates

图7

［3］

中的稳定性。电池以1

!、2!速率放电容量分别为初始容量的94.5%和89.8%。电池在-

20C时以0.2!速率放电，容量为初始容量的80.5%，-30C时放电容量为初始容量的57.1%。

图9~图12为电池的安全特性试验曲线。

图3

电池在室温、MCMB-LiCOO2电池循环寿命曲线于1550mah，

Fig.3

CyclelifecurvesOf

充放电压2.75~4.1V、1a放电电流、100%DOD条件下，循环寿命超过1000

次，

MCMB-LiCOO2cells

实验结果表明在电池的MCMB-Lini0.8CO0.2O2

电池低温放电曲线过充、短路、冲击等项试Fig.8DischargecurvesOfMCMB-电池的最高温度低Lini0.8CO0.2O2batteriesatlOwtemperature验中，

图8

于120C，无起火、爆炸

99

电源技术

张泽波等：高性能18650型锂离子蓄电池

!

结论

[/ M/ @ /? [/[

现象发生，安全可靠。这是因为在电池的设计及制作中，从材料、结构、

安全装置等多方面采取了安全保护措施。

通过试验和选择电极材料，改进电极成型工艺，筛选电液体系，优化电池设计和安全设计，研制成了以LiCoO2、LiNi0.8Co0.2O2为正极、MCMB为负极的18650型锂离子蓄电池。电池具有较高的放电容量（1550mAh和1700mAh）、高的比能量（130Wh/kg和350Wh/L）、长的工作寿命（1000次）和良好的低温放电性能（-40C）。电池工作安全可靠，能满足不同领域对电池的特殊要求。参考文献：

［1］NAGASUBRAMANIANG，INGERSOLLD，DOU-GH D.EIectricaIandeIectrochemicaIperformance［J］characteristicsofIargecapacityIithium-ionceIIs.116.JournaIofPowerSources，1999，80：

［2］SHIAOHC，CHUAD，HSIU-PINL，etal.Low

temperatureeIectroIytesforLi-ionPVDFceIIs［J］.JournaIofPowerSources，2000，87：167—169.

［3］ABCH，MURAI ，ZAGHIBK.Vaporgrowncarbon

fiberanodeforcyIindricaIIithiumionrechargeabIebat-［J］teries.JournaIofPowerSources，1999，77：111.

100

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9nvj.html