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       導讀

       本文采用先進的經過包覆處理的高密度NCA材料，并通過對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優化設計，電池結構密封性的優化，提高電池性能，制備了18650型高比能長壽命鋰離子電池。

       鋰離子電池具有比能量高，使用壽命長的優點，目前已成為衛星用儲能電池的首選。商用的18650型鋰離子電池由于技術成熟、尺寸標準、價格低廉，其在低成本微衛星領域已得到一定的應用。

       隨著鋰離子技術的發展，高比能電池材料的開發向著高電壓材料、高鎳三元、5 V高電壓材料等方向發展[1]。其中，高鎳NCA材料具有比容量高，結構穩定性好的優點，成為高比能長壽命鋰離子電池開發的重點材料之一[2-4]。本文采用先進的經過包覆處理的高密度NCA材料，并通過對電極面密度、隔膜、電解液等設計參數的優化設計，電池結構密封性的優化，提高電池性能，制備了18650型高比能長壽命鋰離子電池。
 

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實 驗

       1.1 電池制作

       分別將正、負極活性物質、導電劑和粘結劑以一定比例混合后，加入一定的溶劑攪拌均勻，正負極漿料分別涂覆到鋁箔、銅箔上，電極碾壓、分切后，烘干，卷繞，裝配，焊接，注液，封口，制備成18650圓柱型鋰離子電池。

       1.2 電池性能測試

       倍率性能測試：在室溫環境下，電池以0.2C恒流恒壓充電到4.2V，0.01 C截止，電池分別以0.2C、0.5C、1C放電到2.75V，記錄電池容量。

       加速循環壽命測試：在常溫下，電池在4.20～2.75 V電壓范圍，以0.5C/0.5 C 100%放電深度進行充放電循環，記錄電池容量。

       LEO軌道壽命測試：在常溫下，以0.5C恒流恒壓充電到4.2V，0.01 C截止，以0.5C放電36min，然后電池以0.5 C恒流恒壓充電至4.20 V后轉0.5C電流放電，重復上述充放電循環，記錄截止電壓。

       空間環境適應性：參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對電池進行密封性、穩態加速、隨機振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。

結果與討論

       2.1 正極材料的選擇

       選擇了三種不同型號的NCA材料制備18650實驗電池，進行了電性能測試，具體實驗結果見表1。

表1 不同型號NCA電性能測試結果

        從表1的數據可以看出，三種高密度NCA材料中，綜合比容量發揮，循環壽命兩方面的因素，材料3#更適合作為高比能長壽命鋰離子電池的正極材料。

        2.2 電化學參數的優化

        2.2.1 電極面密度的優化

       對A、B兩種面密度電池進行倍率與循環壽命的對比，優化電池的面密度設計參數。A、B兩種電池的倍率測試結果見表2。A、B兩種電池的加速壽命測試曲線見圖1。

表2 電池的倍率放電數據

圖1 A、B兩種面密度電池循環測試曲線

        從表2倍率測試數據可以看出，A、B兩種面密度設計的電池在0.5C、1C倍率條件下沒有差異。從圖1的循環曲線看，在循環到600次時，電池A的容量保持率為91.5%，電池B的容量保持率為89.5%，低面密度A具有更好的循環性能，但兩種面密度電池的循環衰降趨勢基本相同。目前低軌衛星的放電電流一般在1C以下，所以對于高比能電池，在保證電池性能的前提下，選擇高面密度的電極設計。

       2.2.2 隔膜的優化

       對實驗電池進行電性能測試，測試結果見表3。
 

表3 不同隔膜電性能測試數據

        從表3中T、P電池(T為陶瓷涂層隔膜電池，P為PP／PE復合隔膜電池)的測試數據可以看出，在倍率性能上，兩種隔膜的倍率性能基本相同，但陶瓷涂層隔膜具有更好的循環壽命，一方面陶瓷隔膜比普通的PP/PE隔膜具有更好浸潤性，另一方面陶瓷涂層可以提高隔膜高電壓下的抗氧化能力，可以有效提高電池的循環壽命。

       2.2.3 電解液的優化

       對高比能長壽命電池來說，電解液與正負極的匹配性，浸潤性與穩定性很大程度上決定了電池的性能。目前，電解液中常用的鋰鹽是六氟磷酸鋰，通過對電解液溶劑配方與添加劑的調整，可以改善電極的浸潤性，SEI成膜的致密性與穩定性，從而提高電池的性能[5-7]。J.R.Dahn等[8]討論了各種電解液添加劑對電池性能的影響，認為要提高電池的循環性能，必須要添加電解液添加劑，使正負極形成鈍化膜，降低電荷轉移電阻，降低副反應。

       對采用了不同溶劑配方與添加劑的電解液實驗電池進行性能測試，其加速循環壽命測試結果見圖2。

       從加速循環壽命測試可知，03#電解液表現出更好的循環穩定性，加速循環壽命測試500次時，容量保持率為93.6%。

       2.3 電性能及環境適應性研究

       2.3.1 容量及倍率

       通過正極材料的篩選與電化學參數的優化，電池密封結構的優化，制備了空間用容量為2.852Ah的18650電池，電池的測試結果見表4。

表4 電性能數據

        由表4電池的測試數據可知，電池比能量可以達到252Wh/kg，對電池進行倍率性能測試，電池0.5C放電容量為2.832Ah，容量保持率為99.3%，1C放電容量為2.826Ah，容量保持率為99.1%。這證明電池的倍率性能良好。

       2.3.2 LEO循環壽命

      參照衛星LEO軌道循環制度，對電池進行地面模擬LEO軌道壽命評估，圖3為電池的LEO軌道壽命循環曲線。從圖中可以看出，電池在進行了1.0萬次循環后，放電截止電壓仍然在3.7V以上，地面模擬壽命長達2年，循環性能良好。

圖3 LEO軌道壽命循環曲線

        2.3.3 空間環境適應性

     參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池進行密封性測試，電池的漏率為1.4×10－10~2.1×10－10Pam3/s，漏氣率均小于1×10－7Pam3/s，檢測結果滿足要求。

       參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池進行穩態加速、隨機振動、正弦振蕩、沖擊及熱真空實驗。實驗過程中電池的電流及電壓均未發生突變，且實驗完成后電池無任何機械損傷，檢測結果滿足要求，本文不再展示放電曲線。

      參照《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》對研制的電池按照表5測試條件進行熱真空實驗，圖4為電池在熱真空循環過程中首次低溫放電曲線與末次高溫充電曲線。

表5 熱真空實驗條件

       如圖4所示電池在熱真空實驗過程中，充放電正常，實驗后，蓄電池無變形、無開裂、無漏液。滿足空間環境適應性要求。

結 論

      通過對正極材料的選型優化，電極面密度、隔膜、電解液等重要電化學參數的設計優化，電池密封結構的優化，制備了NCA體系2.852Ah 18650電池，電池比能量達到252 Wh/kg，1C倍率放電容量保持率為99.1%，地面模擬LEO軌道壽命長達2年以上，并且通過了《GJB6789-2009空間用鋰離子蓄電池通用規范》的環境適應性實驗，可應用于微小衛星電源系統，滿足商業航天發展對航天器產品提出的輕小型、低功耗、高可靠的要求。

       參考文獻：