咨询电话

0532-86812715

负极涂覆陶瓷如何影响锂电池性能?

蓝科途首页    技术天地    负极涂覆陶瓷如何影响锂电池性能?

众所周知,锂离子电池是由四种主要材料构成的,即正极材料负极材料隔膜以及电解液。近些年来,锂离子电池经过了快速的发展、产业化、商业化,技术进步到达了一定的瓶颈。目前,高能量密度、长循环寿命和高安全性能的锂离子电池依旧是各国关注的重点内容。但是锂离子电池是一个矛盾的综合体,在安全性、长寿命、高能量需要做到综合考虑。例如,在拥有高能量的同时,锂电池的稳定性就受到一定的挑战。正极材料使用NCM811或NCA时,电池能量密度可以达到很高,但是也更加危险。在锂电池几大关键性能中,安全性是最不能忽视的,可以说只有做到安全,才能让使用者更放心。

 

陶瓷隔膜目前已广泛应用于锂离子电池中,以提高电池的安全性能和使用寿命,降低自放电率。经过充分的试验验证,陶瓷隔膜可以提高锂离子电池的循环及安全性能,但其制备过程较难控制,另外隔膜上的陶瓷在循环过程中也容易发生脱落。

 

在负极极片上涂覆陶瓷以提高锂离子电池的安全性已经被很多厂家采用。陶瓷粉体是纳米化的氧化铝颗粒。纳米氧化铝是具有重要应用价值和发展前景的特种功能纳米材料之一,具有很高的热稳定性、化学稳定性、耐腐蚀性及高硬度等一系列优良特性,广泛用于陶瓷材料、生物医学材料、半导体材料、催化剂载体、表面防护层材料以及光学材料。正是由于纳米氧化铝这样好的热稳定性,被认为是很好的隔热材料,有望在改善锂离子电池的安全性能上做出重大贡献。

 

陶瓷粉可以和CMC、SBR等按一定比例配置,用去离子水制成胶液,涂覆在负极表面。涂覆有陶瓷粉末的负极片与正常的负极片相比,视野中可以看见无数的纳米氧化铝颗粒,而正常的负极片表面则是典型的石墨片状形貌,如图1所示。

 

12

 

图1. 未涂陶瓷层的极片SEM(a)和涂有陶瓷粉末的极片SEM(b)

 

简单来说,负极表面涂覆氧化铝涂层,是利用了氧化铝粉末的热稳定性和绝缘性。可以预见,锂离子电池的容量只与正负极材料相关,而与是否涂覆有陶瓷涂层无关。那么,陶瓷涂层的使用对锂离子电池哪些性能有影响呢?

 

(1)内阻

由于氧化铝粉末是不导电的,涂有氧化铝粉末后,一方面降低了锂离子电池的自放电情况,另一方面阻碍了负极极片内部电子传输,导致锂电池内阻增大。锂电池内阻的增大也是我们不想看见的,内阻越大锂电池在充放电使用过程中就会发热量越大,对其性能有重要影响。所以在实际生产过程中,为了降低锂电池内阻,可以降低陶瓷涂层涂覆厚度来实现。

 

(2)循环寿命

先说结论,涂有陶瓷涂层的电池循环寿命要好于未涂陶瓷涂层的电池。大家都知道,锂离子电池负极采用石墨时,首次充放电时会在石墨表面形成SEI,这是一种固态电解质膜,是由于电子和电解液、锂离子反应形成的。这也是锂电池首次效率的来源,即SEI的形成是一种消耗活性锂离子的过程。实际上,在锂离子电池充放电过程中,尤其是随着循环次数的增多,SEI会不断的被破坏和重建,SEI的厚度也会不断地增厚,重复消耗电池中的活性锂离子,导致锂电池容量逐步降低。

同时,SEI厚度的增大可能会影响锂离子的嵌入,导致在负极表面析出,形成锂枝晶造成锂电池短路。在负极表面涂上一层陶瓷粉末,或许能够有效阻挡负极SEI 膜的增长,从而减小锂离子在电池循环使用过程中的损失。另外,电解液在电池循环过程中也会不断分解,而陶瓷涂层具有一定的吸液能力,从而可以提高电解液长期充放电循环时的容量保持率。

 

(3)锂电池自放电

锂离子自放电性能好坏对电池成组后的一致性有重要影响,电池模组具有典型的水桶效应,如果其中一块电池失效,那么会影响到整个模组的性能。所以,电池生产完成后需要经过一定天数的搁置,以此来挑选压降一致性良好的电池。在锂电池搁置过程中,生产过程中的一些问题会慢慢凸显出来,例如电极表面缺陷、正负极极片边缘毛刺、隔膜情况、封装不良、焊接不良、环境温湿度等。试验发现,负极涂有陶瓷涂层的电池荷电保持能力更强,这是因为在负极表面涂上一层陶瓷,其实等同于使用陶瓷涂层隔膜了,更加稳定了,可以有效减少内短路的出现,减少锂电池自放电现象。

 

(4)安全性

无论是负极表面涂陶瓷还是采用陶瓷隔膜,对锂离子电池最重要的意义就是提高锂电池的安全性。在一次次电动车起火燃烧的事故中,烧掉的也是消费者对电动车的信赖,对整个行业的发展是极为不利的,锂电池企业必须要把安全性放在首位。

负极表面涂有陶瓷粉末的电池安全性更高,在锂电池安全性强制检验项中,挤压针刺短路挑战是很大的,挤压针刺属于滥用测试。例如在针刺试验中,针扎入电池内部后,相当于正负极内部导通,瞬间会产生极大的电流,形成大量的热量,同时会引起电解液分解产热、正极材料结构分解坍塌放热,当热量无法释放时就会冒烟、起火燃烧甚至爆炸。正如前文所述氧化铝陶瓷涂层具有较好的热稳定性,在负极表面涂覆陶瓷涂层能够延缓针刺过程中热量的急剧增大,从而延缓电解液的受热分解,避免短时间内产生大量气体而使电池爆炸。

因此,陶瓷涂层在负极极片上的使用可以有效提高锂离子电池的安全性。当然,锂离子电池安全性的提高,需要从多方面来做好控制工作,包括锂电池原材料、电芯设计、工艺方法、生产过程控制、环境控制等等。

文章摘自高工锂电网,如有作品及内容问题,请联系删除!

2019年6月29日 09:27
浏览量:0
收藏