CN103076572A

CN103076572A - 一种根据eis谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法

Info

Publication number: CN103076572A
Application number: CN2012105832518A
Authority: CN
Inventors: 李新峰; 孙菲; 王颖; 高俊奎
Original assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Current assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法。所述方法通过调节负极涂布机涂布工艺参数制备一系列不同负极片，对利用所述不同负极片制作的锂电池进行循环性能测试，并测量所述锂电池的电化学阻抗谱，建立锂电池的电化学阻抗谱与循环性能间对应关系，根据所述对应关系及测量的锂电池电化学阻抗谱，预测负极涂布工艺参数对锂离子电池循环性能的影响。由于采用上述方案，本发明可实现不需再对电池进行充放电循环性能测试就能快速地预测负极涂布工艺参数对锂离子电池循环性能的影响，从而节约了电池循环性能测试的时间和成本，并可快速找出最佳负极涂布工艺参数。

Description

一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展进步，各种便携式电子设备，如智能手机、手提电脑等得到了广泛的应用，人们对电子产品的依赖程度越来越高。同时，这些电子设备对化学电源性能的要求也越来越苛刻。而锂离子电池以其能量密度高、电压稳定、无记忆效应和绿色环保等优点被广泛应用于电子产品当中。随着锂离子电池应用领域的不断扩展，人们对其循环寿命的要求也越来越高。

影响锂离子电池循环寿命的因素很多，如正负极材料，粘结剂对活性物质的粘结强度，形成固态电解质膜（SEI膜）的质量，电池设计中正负极容量匹配、充放电制式、电解液量、电解液添加剂等。然而，在锂离子电池制作过程当中，工艺参数的调整也会对锂离子电池的循环性能产生影响。

目前，对锂离子电池循环性能最直接的判断方法是对锂离子全电池按照一定的制式进行充放电循环。这种方法可靠性高，缺点是耗时长，循环500次基本需要两个月的时间。因此，如何快速判断电池的循环性能，进而决定最佳涂布工艺参数成了一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，旨在解决目前通过测量电池循环性能来判断不同负极涂布工艺参数对电池性能的影响的时间长与成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，包括以下步骤：

调节负极涂布机的涂布工艺参数制备不同的负极片；

对所述负极片制作的不同锂离子全电池进行循环性能测试；

测量所述锂离子全电池在满电状态下的电化学阻抗谱；

建立所述电化学阻抗谱与循环性能间的对应关系；

根据所述对应关系及锂电池的电化学阻抗谱，判断所述负极涂布工艺参数对锂电池循环性能的影响。

所述涂布工艺参数包括负极涂布机的涂布速度、烘箱温度和风机转速。

所述涂布速度2~10米/分钟，所述烘箱温度为50~130°C，所述风机速度为500~1000转/分钟。

采用Arbin MITS Pro电池测试系统对所述锂离子全电池进行电池循环性能测试。

所述电池循环性能测试采用充放电制式，其中，1C恒流充电到4.2V，4.2V恒压充电，截止电流0.05C，1C恒流放电到3.0V，为一个循环周期。

采用电化学工作站对所述锂离子全电池进行电化学阻抗谱测试。

在电化学阻抗谱测试时所述锂离子全电池的测量电压为4.19V，测量频率范围为50mHZ-1000HZ，电压振幅为5mV。

本发明通过对利用不同负极涂布工艺制得不同的负极片制备的锂离子全电池在满电状态下进行电化学阻抗谱测量和循环性能测试，并建立电化学阻抗谱测量和循环性能测试间的对应关系，利用该对应关系及测量的电化学阻抗谱来判断不同负极涂布工艺参数对电池性能的影响。由于电池的电化学阻抗谱测量速度快，实现了根据EIS谱快速预测电池循环性能，进而判断最佳负极涂布工艺参数，因而大大节约了目前通过测量电池循环性能来判断不同负极涂布工艺参数对电池性能的影响的时间与成本，提高了工作效率。

附图说明

图1是平野涂布机各烘箱分布位置示意图；

图2是实施例1~4中制备的锂离子全电池在室温1C下循环测试结果；

图3是实施例1~4的制备的锂离子全电池的电化学阻抗谱；

图4是室温1C循环电池容量保持在85%以上的循环次数与电化学反应阻抗间的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明是通过EIS谱来快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的，本发明所述的根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，具体包括以下步骤：

调节负极涂布机的涂布工艺参数制备不同的负极片；

对所述负极片制作的不同锂离子全电池进行循环性能测试；

测量所述锂离子全电池在满电状态下的电化学阻抗谱；

建立所述电化学阻抗谱与循环性能间的对应关系；

本发明实施例中，所述的负极涂布机采用平野涂布机，参见图1所示，平野涂布机包括三个烘箱，依次为烘箱1、烘箱2、烘箱3；涂布时，从涂布机的进口进入涂布机烘干后，从右侧的出口出来。该涂布方式采用辊式，涂布机的三个烘箱的加热方式为油温加热，在将浆料涂布在金属箔片后，采用热烘干和风吹干两种方式共同进行，将负极片中的水分排出。

所述涂布工艺参数包括负极涂布机的涂布速度、各烘箱温度和风机转速。

所述负极涂布速度是2-10米/分钟，所述各烘箱温度为50°C-130°C，所述风机速度为500-1000转/分钟。

本发明实施例中，在制作锂离子全电池用的正极片采用相同的涂布工艺制作，将制备好的正、负极片和隔膜卷绕装配成锂离子全电池，将锂离子全电池注液、化成及老化后，得到测试用的锂离子全电池，进行循环寿命测试和电化学阻抗谱测量。

采用电化学工作站对所述锂离子全电池进行电池的电化学阻抗谱测试。

在电化学阻抗谱测试时，所述锂离子全电池的测量电压为4.19V，测量频率范围为50mHZ-1000HZ，电压振幅为5mV。

下面，通过具体的实施例来说明本发明的实现方式及优越性。

测试电池的制作

正极片的制作：将钴酸锂、导电剂、聚偏氟乙烯（PVDF胶）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）按一定比例混合搅拌、涂布、碾压、剪切获得正极片。

负极片制作：将人造石墨、羧甲基纤维素钠（CMC）、导电剂、粘结剂和去离子水按照一定比例混合搅拌，涂布，碾压，剪切获得负极片。

电芯制作；将正、负极片卷绕、装配、烘干、注液、化成、老化，得到电化学阻抗（EIS）和循环测量所需要的锂离子全电池。

电化学阻抗谱（EIS）测量：将制作的锂离子全电池进行电化学阻抗谱（EIS）测量。其中，锂离子全电池的测量电压为4.19V，测量频率范围为50mHZ-1000HZ，电压振幅为5mV，所采用的测试设备是德国ZAHNER公司IM6电化学工作站。

循环性能测试：将所述锂离子全电池进行循环性能测试。所述循环制式是1C恒流充电到4.2V；4.2V恒压充电，截止电流0.05C；1C恒流放电到3.0V，所采用的测试设备是Arbin MITS Pro电池测试系统。

建立电化学阻抗（EIS）和循环性能的对应关系：根据电化学阻抗谱（EIS）和循环性能数据，得到电化学阻抗谱（EIS）和循环性能的经验关系，进而判断负极涂布工艺参数的优劣。

实施例1：

在获得上述制作负极片用的匀好的负极浆料后，在平野涂布机上开始涂布。其中涂布速度为2.5米/秒，涂布方式为辊式。1#烘箱的温度设定为55°C，风机速度为700转/分钟；2#烘箱的温度设定为75°C，风机速度为900转/分钟；3#烘箱的温度设定为90°C；风机速度为1000转/分钟。

实施例2：

在获得上述制作负极片用的匀好的负极浆料后，在平野涂布机上开始涂布。其中涂布速度为2.2米/秒，涂布方式为辊式。1#烘箱的温度设定为100°C，风机速度为500转/分钟；2#烘箱的温度设定为110°C，风机速度为500转/分钟；3#烘箱的温度设定为125°C，风机速度为500转/分钟。

实施例3：

在获得上述制作负极片用的匀好的负极浆料后，在平野涂布机上开始涂布。其中涂布速度为2.5米/秒，涂布方式为辊式。1#烘箱的温度设定为85°C，风机速度为800转/分钟；2#烘箱的温度设定为90°C，风机速度为1000转/分钟；3#烘箱的温度设定为80°C，风机速度为1200转/分钟。

实施例4：

在获得上述制作负极片用的匀好的负极浆料后，在平野涂布机上开始涂布。其中涂布速度为2.5米/秒，涂布方式为辊式。1#烘箱的温度设定为100°C，风机速度为500转/分钟；2#烘箱的温度设定为110°C，风机速度为500转/分钟；3#烘箱的温度设定为125°C，风机速度为500转/分钟。

图2为实施例1~4不同负极涂布工艺制备出的锂离子全电池的循环性能。其中，实施例1~4循环容量保持在85%以上的循环次数分别为221、700、303、452次。

图3是实施例1~4中全电池的电化学阻抗谱测量结果。根据图2~3，我们可以得出，当正极、电解液、隔膜生产所用的材料和生产工艺完全相同，只有负极涂布工艺存在差异时，全电池的中频段阻抗（电化学反应阻抗）比较大的电池的循环性能优异。通过R(QR_sur)W模拟电路分析，实施例1~4中的R_sur分别为29.1mΩ，34.9mΩ、32.1mΩ和34mΩ，其中R为电路中的纯物理阻抗，Q为横相位元件，R_sur为电化学表面反应阻抗，W为锂离子固相扩散阻抗。

需要说明的是，为了更清楚地进行对比，图中的数据已经忽略了电池系统中的纯物理电阻阻抗部分。

图4是实施例1~4的全电池电化学表面反应阻抗与电池循环次数的关系。电池循环次数是指容量保持率在85%以上的循环次数。从图中可以看出，随着电化学表面反应阻抗的增加，循环次数增多。只有当电化学阻抗大于34.2mΩ的电池的循环性能才能达到500次容量保持在85%以上。因此，我们进而可以确定实施例2的负极涂布工艺优于实施例1、实施例3和实施例4。

本发明通过建立电池电化学阻抗谱与电池循环性能的对应关系后，后期可以根据电池的电化学阻抗谱快速来判断电池循环性能的差异，不必再对电池进行循环性能测试，从而大大节约了实验的时间，进而快速选择最佳的负极涂布工艺参数，以使电池的循环性能得到最佳。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

调节负极涂布机的涂布工艺参数制备不同的负极片；

对所述负极片制作的不同锂离子全电池进行循环性能测试；

测量所述锂离子全电池在满电状态下的电化学阻抗谱；

建立所述电化学阻抗谱与循环性能间的对应关系；

2.根据权利要求1所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，所述涂布工艺参数包括负极涂布机的涂布速度、烘箱温度和风机转速。

3.根据权利要求2所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，所述涂布速度2~10米/分钟，所述烘箱温度为50~130°C，所述风机速度为500~1000转/分钟。

4.根据权利要求1所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，采用Arbin MITS Pro电池测试系统对所述锂离子全电池进行电池循环性能测试。

5.根据权利要求4所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，所述电池循环性能测试采用充放电制式，其中，1C恒流充电到4.2V，4.2V恒压充电，截止电流0.05C，1C恒流放电到3.0V，为一个循环周期。

6.根据权利要求1所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，采用电化学工作站对所述锂离子全电池进行电化学阻抗谱测试。

7.根据权利要求6所述根据EIS谱快速判断负极涂布工艺对电池循环性能影响的方法，其特征在于，在电化学阻抗谱测试时所述锂离子全电池的测量电压为4.19V，测量频率范围为50mHZ-1000HZ，电压振幅为5mV。