石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應(yīng)用

鄔文杰

石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應(yīng)用

鄔文杰

（焦作市億星鋰電科技有限公司，河南 焦作 454150）

以導(dǎo)電劑碳納米管（CNT）為對(duì)照，研究石墨烯作導(dǎo)電劑對(duì)電池性能的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：層狀的石墨烯能與活性物質(zhì)磷酸亞鐵鋰（LIFePO4）形成點(diǎn)-面導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著提高電池的倍率性能，且容量保持率、容量恢復(fù)率均有提升，但高溫循環(huán)性能受到影響。

磷酸亞鐵鋰；CNT乳液；石墨烯乳液；倍率性能；高溫?cái)R置性能

磷酸亞鐵鋰高倍率電池具有安全性佳、循環(huán)壽命長(zhǎng)、原料儲(chǔ)備豐富等優(yōu)點(diǎn)。但是，磷酸亞鐵鋰導(dǎo)電性能差，必須加入導(dǎo)電劑來(lái)改善其導(dǎo)電性能。當(dāng)前，導(dǎo)電劑的種類較多，除SP、VGCF、CNT等外，石墨烯以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能得到廣泛關(guān)注［1］，是21世紀(jì)不可多得的材料，各行各業(yè)對(duì)其抱有極大希望。作為電池從業(yè)者，筆者對(duì)石墨烯在磷酸亞鐵鋰高倍率電池中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 材料、設(shè)備及儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

磷酸亞鐵鋰、CNT乳液、石墨烯乳液、PVDF、鋁箔、碳素粉、CMC、SBR、NMP、去離子水、銅箔、隔膜、電解液（LiPF6）、鋁塑膜、鋁復(fù)合極耳及鎳復(fù)合極耳。

1.2 主要設(shè)備及儀器

混料機(jī)（5L）、涂布機(jī)（15m烘箱）、輥壓機(jī)（直徑550mm）、模切機(jī)（350型）、疊片機(jī)、烘箱、超聲波焊機(jī)、鋁塑膜成型機(jī)、頂側(cè)封一體機(jī)、注液機(jī)、化成柜、短路測(cè)試儀及測(cè)試柜。

2 實(shí)驗(yàn)方法

做成2.7Ah疊片型軟包電池，型號(hào)7.0mm（厚）×72mm（寬）×92mm（高）。

2.1 配料

2.1.1 正極配料。正極配料分兩個(gè)配方進(jìn)行，具體為：配方1：磷酸亞鐵鋰、CNT乳液和PVDF的比例分別為93%、2.5%和4.5%；配方2：磷酸亞鐵鋰、石墨烯乳液和PVDF的比例分別為93%、2.5%和4.5%。

2.1.2 負(fù)極配料。負(fù)極以碳素粉為主料，采用同一配方，碳素粉、CMC和SBR的比例分別為94%、2%和4%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

把上述材料按照相關(guān)工藝攪拌，進(jìn)行涂布、輥壓、模切、疊片、封裝、烘烤、注液、化成、測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 倍率性能測(cè)試

隨機(jī)抽取4只電池，配方1、配方2各2只，常溫下使用200A測(cè)試柜進(jìn)行108A（40C）倍率放電，放電曲線如圖1所示。

表1 高溫?cái)R置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 45℃循環(huán)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表題

圖1 放電曲線

由圖1可知，與配方1相比，配方2做出的電池，倍率放電電壓平臺(tái)高150mV以上，同時(shí)兩曲線的重合度較好。

原因分析：與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)有關(guān)，石墨烯是片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-面接觸；而碳納米管是纖維狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-線接觸［2］，從曲線對(duì)比來(lái)看，加入石墨烯配方2的電池可以最大化地發(fā)揮導(dǎo)電劑的作用，優(yōu)勢(shì)明顯。

3.2 高溫?cái)R置性能

①電池標(biāo)準(zhǔn)充電后，在55±2℃擱置7d，然后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中存放5h以上，以1.35A（0.5C）恒流放電至2.0V，記錄高溫荷電保持容量。

②電池標(biāo)準(zhǔn)充電后，1.35A（0.5C）放至2.0V，循環(huán)3次。記錄高溫恢復(fù)容量。

由表1知，與配方1相比，添加石墨烯乳液的配方2電池，高溫保持及恢復(fù)均高，分別平均高出2%，1.6%。

偏高原因：添加石墨烯的電池，在擱置過(guò)程中，與存在于石墨烯中的鋰離子逐步釋放［3］。

3.3 45℃循環(huán)性能對(duì)比

45℃±2℃下，電池以2.7A（1C）恒流充電至3.65V，轉(zhuǎn)恒壓充電至電流降至0.135A，擱置10min，然后5.4A（2C）恒流放電至2.0V，反復(fù)循環(huán)。

由表2可知，與配方1相比，添加石墨烯乳液的配方2電池，高溫循環(huán)隨著次數(shù)增加，下降較快。

高溫下降可能與石墨烯片層的排列方式有關(guān)［4］。

4 結(jié)論

①由于石墨烯是片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-面接觸，而碳納米管是纖維狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-線接觸，加入石墨烯的電池可以最大化地發(fā)揮導(dǎo)電劑作用，倍率放電優(yōu)勢(shì)明顯。

②添加石墨烯的電池，在擱置過(guò)程中，存在于石墨烯中的鋰離子逐步釋放，容量保持率、容量恢復(fù)率均有提升。

③添加石墨烯的電池，隨著45℃高溫循環(huán)次數(shù)增加，下降較快，可能與石墨烯片層的排列方式有關(guān)。

［1］X Li，F(xiàn)Kang，X Bai，et al.A novel network composite cathode of LiFePO4/multuwalled carbon nanotubes with high rate capability forlithium ion batteries［J］.Electrochemistry Communications，2007（4）：663-666.

［2］T Li，L Gao.A high-capacity graphene nanosheet ma?terial with capacitive characteristics for the anode of lithiumion batteries［J］.J Solid State Electrochem，2012（2）：557-561.

［3］張慶堂，瞿美臻，于作龍.鋰離子電池導(dǎo)電劑研究進(jìn)展［J］.化學(xué)通報(bào)，2006（1）：640.

［4］武明昊，陳劍，王崇，等.鋰離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展［J］.電池，2011（4）：222-225.

Application of Graphene in High Rate Lithium Iron Phosphate Batteries

Wu Wenjie
（Jiaozuo Yixing Lithium Technology Co.Ltd.，Jiaozuo Henan 454150）

In this paper,the effect of graphene as a conductive agent on the performance of the cell was studied by conducting carbon nanotubes(CNT).As indicated by the test data∶graphene can be layered and the active material of lithium iron phosphate(LIFePO4)forming a conductive network point surface,signifi?cantly improve the rate performance of the battery,and the initial capacity and capacity retention,recovery capacity increased,but the cycling performance is affected by high temperature.

lithium iron phosphate；CNT emulsion；grapheneemulsion；rate performance；high temperatureperfor?mance

TM912

A

1003-5168（2017）10-0137-02

2017-09-01

鄔文杰（1985-），男，本科，工程師，研究方向：高性能鋰離子電池研發(fā)制造及管理。