刘春亮;刘熙林;张国恒;邓昌源;王海涛
【摘 要】将纯镍、单面铜镀镍和双面铜镀镍分别作为磷酸铁锂圆柱动力电池负极极耳.采用金相显微镜分析两种不同复合结构的铜镀镍极耳,并采用多种方法测试了各个圆柱电池的电化学性能.结果表明,采用双面铜镀镍极耳圆柱电池在室温下表现出优异的倍率、温升、低温和循环性能,6C充电恒流比为88.95％,6C放电温升为25.3℃,低温-20℃时1C放电容量比率为51.17％,6C循环1 000周容量保持率为87.04％. 【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)008
【总页数】3页(P1123-1125)
【关键词】磷酸铁锂;动力电池;铜镀镍极耳;倍率性能
【作 者】刘春亮;刘熙林;张国恒;邓昌源;王海涛
【作者单位】深圳市沃特玛电池有限公司,广东深圳518118;深圳市沃特玛电池有限公司,广东深圳518118;深圳市沃特玛电池有限公司,广东深圳518118;深圳市沃特玛电池有限公司,广东深圳518118;深圳市沃特玛电池有限公司,广东深圳518118
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
随着国家新能源汽车产业化和市场化的进一步扩大，动力电池在生活中的需求不断增加，尤其是快速充电的需求，因此对锂离子电池倍率充放电性能的要求也越来越高。但目前电动车上用的商品化锂离子电池很难实现大倍率充放电，其主要原因是电池在大倍率放电时，电池内部极化较大，且常规纯镍极耳结构无法满足导流需求，使得电池整体温度过高，容易造成电池热失控，从而导致电池倍率充放电性能和循环性能变差，甚至影响电池的安全性能。为了解决大倍率锂离子电池的安全性能，科研工作者主要从两个方面进行改善：一是改善电池材料的本征性质，减小电池内阻，提高电导率；二是通过优化电池结构来提高电池的散热速率及改善电池管理系统(BMS)，从而提高电池的安全性[1-3]。
极耳是电池与外界能量传递的桥梁，当电池大倍率充放电时，提高极耳的电导率能够在充放电初期有效改善电池的倍率充放电性能。目前商业化的圆柱型动力锂离子电池中，镍广泛应用于负极极耳材料，其电阻率约为6.58 μΩ/cm[4]，镍的标准电极电位为-0.25 V[5]，比电池负极的电极电位低，因此从热力学上考虑不会被腐蚀溶解，另外镍极耳与钢材质钢壳焊接牢固且不易脱落。铜是一种优良的导电材料，广泛用于电力传输，其电阻率约为1.55 μΩ/cm[4]，但是在进行圆柱钢壳电池铜极耳超声焊接的时候，很难和钢材制的外壳进行焊接，致使铜虽然有很低的电阻率，但是不能单独作为圆柱钢壳电池负极极耳。而铜镀镍复合极耳具有优良的导电性能，其电阻率接近纯铜的电阻率。因此本文在现有倍率性材料体系的基础上，以铜镀镍复合极耳为研究对象，研究了极耳材质、不同结构铜镀镍极耳对锂离子电池的倍率充放电性能、倍率温升、低温和倍率循环性能的影响。
1 实验
1.1 电池制备
将深圳产磷酸铁锂、超导炭黑(SP)和碳纳米管(CNTs)按一定比例混合，以聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘结剂配制成正极浆料；将东莞产改性人造石墨材料、超导炭黑按一定比例混合
、丁苯橡胶(SBR)作为粘结剂配制成负极浆料。将正、负极浆料经涂布和辊压后，按图1制成正极片和负极片，正极焊上铝极耳，负极分别焊上纯镍极耳、单面铜镀镍极耳(质量比镍∶铜≈1∶1，记为CN极耳)、双面铜镀镍极耳(质量比镍∶铜∶镍≈1∶1∶1，记为NCN极耳)，分别经卷绕、注液、封口后制成32650型5 Ah圆柱动力电池，依次编号为电池1、电池2和电池3。三种电池的正极铝极耳尺寸：长67 mm，宽6 mm，厚0.1 mm；负极极耳尺寸：长60 mm，宽5 mm，厚0.08 mm。
图1 电池极片示意图
1.2 材料表征
采用上海光学仪器厂生产的9XB正置金相显微镜对所用负极极耳材质进行截面形貌结构和成分分析。
1.3 电池性能检测
电池内阻测试采用广州擎天BS-VR3电池内阻测试仪，量程0.1～200 mΩ，精度0.1 mΩ，所有测试均在室温(25±2)℃下进行。电池倍率和循环性能测试采用广州新威CT-4008-5V/100A-
NA电池检测系统，充放电电压范围2.0～3.65 V，电流范围2～100 A。电池倍率温升测试的温度收集采用广州市荣鑫电子科技有限公司多路温度测试仪。电池负极极耳焊接拉力测试采用温州市海宝仪器有限公司指针式推拉力计。
2 结果与讨论
2.1 铜镍复合极耳形貌和结构分析
图2是CN和NCN两种不同复合结构的铜镀镍复合极耳截面金相显微镜图，从图2(a)可以看出CN复合极耳是由铜和镍两层金属按质量比约1∶1进行复合而成，从图2(b)可以看出NCN复合极耳是由镍、铜和镍三层金属按质量比约1∶1∶1进行复合而成。
图2 两种铜镀镍复合极耳截面金相显微镜图
2.2 电池负极极耳焊接强度测试
铜镀镍复合极耳加入了金属铜，由于金属铜和钢壳超声焊接比较困难，所以有必要对其超声焊接强度进行试验。图3是三种极耳超声焊接强度测试实物演示图，将三种极耳对折成三层
结构，模拟三极耳电池点底工序，指针式推拉力计测试极耳脱离所需要的拉力。每一种极耳测试5组，实验数据统计如表1所示，三种极耳超声焊接强度测试表明，纯镍极耳＞NCN极耳＞CN极耳，纯镍极耳焊接最牢固。NCN极耳测试结果都在合格标准以内，所以NCN极耳完全可以用于工业化批量生产。CN极耳出现两个不合格的情况，表明这种结构存在一定风险，会对电池内阻和电池性能有一定影响。
图3 三种极耳焊接强度测试实物演示图
表1 3种极耳焊接强度（拉力）值编号 纯镍极耳拉力/N C N极耳拉力/N N C N极耳拉力/N 1 9 0 6 6 7 8 2 1 3 0 5 9 5 5 5 6 9 2 8 6 9平均值 1 0 1.6 4 6.6 6 4.4 4 1 2 0 3 1 7 0 3 9 9 4 9 5 0注:工艺要求焊接强度≥4 0 N
2.3 电池容量和内阻测试
纯镍、CN和NCN三种材质负极极耳的电池常温下1C平均容量等电性参数见表2，三者初始平均容量非常接近，具有很好的平行对比性，纯镍、CN和NCN三种材质负极极耳电池内阻分别为6.4、6.0和5.1 mΩ。NCN材质负极极耳电池容量发挥稍低，但内阻较小。
表2 常温下3种电池1 C容量等电性参数电池编号 内阻/m 3.1 V平台持续时间/m i n 初始容量/m A h电池1 6.4 5 3 5 0 7 8电池2 6.0 5 2 5 0 6 5电池3 5.1 5 2 5 0 5 0
2.4 倍率性能测试
图4 三种电池的倍率充放电曲线
对三种材质负极极耳的圆柱电池，每种取3支做倍率测试，数据以中间值为准。由图4看出，随着倍率不断提高，三种圆柱电池的放电中值电压和充电恒流比不断降低，NCN材质负极极耳电池和CN材质负极极耳电池在同倍率下的放电中值电压和充电恒流比明显优于纯镍材质负极极耳电池，其原因是具有较高电导率(低电阻率)的铜镀镍负极极耳在高倍率充放电过程中，能有效降低电池的极化，提高过流能力，从而改善电池的倍率充放电性能。
倍率温升测试是在测试倍率性能的时候同步进行的，用多路温度测试仪测试电池中部表面温度对比测试环境温度下的变化情况。从图5可以看出，温度上升情况表现为：纯镍材质负极极耳电池＞CN材质负极极耳电池＞NCN材质负极极耳电池。内阻小的电池能有效降低电池的极化，改善电池的倍率放电性能，产生的焦耳热少，电池表面的温度相对较低。
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