储能科学与技术, 2021, 10(3): 1025-1031 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0424

储能材料与器件

凝胶型锂离子电池的制作及电化学和安全性能

涂健,1, 徐雄文1, 胡海波1, 聂阳1, 曾涛1, 孙秋实2, 成浩2, 谢健,2, 赵新兵2

1.湖南立方新能源科技有限责任公司,湖南 株洲 412000

2.浙江大学材料科学与工程学院,浙江 杭州 310027

Fabrication of gel-type Li-ion batteries and their electrochemical and safety properties

TU Jian,1, XU Xiongwen1, HU Haibo1, NIE Yang1, ZENG Tao1, SUN Qiushi2, CHENG Hao2, XIE Jian,2, ZHAO Xinbing2

1.Hunan Cube New Energy Technology Co. Ltd. , Zhuzhou 412000, Hunan, China

2.School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China

通讯作者: 谢健,副教授,主要研究方向为新能源材料与器件,E-mail:xiejian1977@zju.edu.cn

收稿日期: 2020-12-31   修回日期: 2021-01-22   网络出版日期: 2021-04-30

基金资助: 湖南省重大科技项目.  2020GK1014
国家自然科学基金项目.  51572238
浙江省自然科学基金.  LY19E020013

Received: 2020-12-31   Revised: 2021-01-22   Online: 2021-04-30

作者简介 About authors

涂健(1976—),男,博士,高级工程师,研究方向为锂离子电池,E-mail:kenttu@lifuntech.com E-mail:kenttu@lifuntech.com

摘要

采用原位聚合法制备了凝胶型软包锂离子电池,该电池包括钴酸锂正极、石墨负极、镀陶瓷聚乙烯隔膜,以及弥散于正负极和隔膜之间的凝胶电解质。电化学测试表明,凝胶型电池具有和液态电池可比的容量和循环稳定性。差示扫描量热(DSC)测试表明,相对于液态电解质,凝胶电解质与钴酸锂正极和石墨负极之间的热稳定性更好。热板和加速量热(ARC)试验表明,凝胶电池具有更好的安全性能。采用原位聚合法制作了超薄软包电池,该电池显示出较好的柔性,经折叠和剪切试验后该电池仍可正常工作。

关键词: 锂二次电池 ; 凝胶电解质 ; 聚季戊四醇三丙烯酸酯 ; 原位聚合 ; 钴酸锂

Abstract

Pouch-type gel Li-ion batteries were fabricated by in-situ polymerization and constructed from a LiCoO2 cathode, a graphite anode, a ceramics-coated polyethylene separator, and a gel electrolyte that was dispersed in between. Electrochemical tests showed that the battery using the gel electrolyte exhibited comparable capacity and cycling stability compared with that using the liquid electrolyte. The differential scanning calorimeter tests indicated that the gel electrolyte exhibited an improved thermal stability toward LiCoO2 and graphite than the liquid electrolyte. The hot-plate and accelerating rate calorimetry tests suggested that the safety property of the battery can be enhanced using gel electrolytes instead of liquid electrolytes. An ultrathin pouch battery was also fabricated by in-situ polymerization, and it showed good flexibility and can still operate after folding and cutting.

Keywords: lithium secondary batteries ; gel electrolytes ; poly(pentaerythritol triacrylate) ; in-situ polymerization ; LiCoO2

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本文引用格式

涂健, 徐雄文, 胡海波, 聂阳, 曾涛, 孙秋实, 成浩, 谢健, 赵新兵. 凝胶型锂离子电池的制作及电化学和安全性能[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(3): 1025-1031

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锂离子电池由于其较高的能量密度,已成为3C电子产品的主流电源。随着当代社会对能源和环境问题的日益关注,锂离子电池在清洁能源储能和汽车电动化中扮演着不可替代的角色。电动汽车的快速发展对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求,但能量密度的提高往往意味着牺牲安全性能[1]。虽然使用水系电解液、不燃有机电解液或固态电解质可提高锂离子电池的安全性能[2-4],但这往往会给电池带来负面影响,如能量密度的降低、电池内阻的增加、电池制造成本的上升等。

使用全固态电解质,特别是陶瓷电解质,被认为是解决锂离子电池安全问题的最佳方案[5-7]。陶瓷电解质虽然有较高的锂离子电导率,但与电极的电化学相容性较差,且其内在的脆性影响可加工性[8-9]。相对于陶瓷电解质,聚合物电解质的可加工性较好,但其锂离子电导率较低,使电池在室温或低温下无法工作[10]。近年来的研究表明,使用聚合物凝胶电解质为上述问题提供了一种折中方案。聚合物凝胶电解质一般由固态聚合物和液态有机电解液组成,兼具聚合物电解质的可加工性和液态电解液/电极优异的界面性[11-16]。由于聚合物的固定作用,抑制了液态电解液在热失控时的挥发,并降低了液态电解液与电极的界面反应,从而一定程度上降低或延缓了热失控的发生,可显著提高电池的安全性[17-18]。对于液态电池,液态电解液可弥散于整个电池,包括填充于多孔电极的孔隙中(湿法涂布的电极一般有约30%的孔隙率),从而降低电极内阻,而直接使用凝胶电解质虽可降低其与电极的界面电阻,但此时凝胶电解质无法填充至电极的孔隙中,不利于电极内阻的降低。原位聚合为解决这一难题提供了一种有效的方法,即先在室温下往电池中注入液态有机电解液、单体和引发剂,再在高温下进行原位聚合反应,可将凝胶电解质弥散于整个电池中,包括多孔电极的孔隙中[19-23]。可用来进行原位聚合反应的单体包括碳酸亚乙烯酯、丙烯腈类、丙烯酸酯类等[24]。其中丙烯酸酯单体具有和常用的有机电解液相容性好、易聚合且聚合产物与电极相容性好等优点,常用作单体进行原位聚合反应[25-30]

在本工作中,以钴酸锂(LiCoO2)为正极,人造石墨为负极,季戊四醇三丙烯酸酯作为单体,通过原位聚合反应制作了凝胶型软包锂离子电池。相比于纽扣型电池,软包型电池更适合用于评价凝胶电池的电化学性能、热稳定性和安全性能,更能反映出凝胶型电池的本征性能。研究发现,相对于液态电池,凝胶电池具有可比的容量和循环稳定性,显著改善热稳定性和安全性能。本工作将对凝胶电池的设计具有重要的指导意义。

1 实验

1.1 主要试剂

人造石墨(东莞凯金新能源科技有限公司),钴酸锂(贵州振华新材料有限公司),有机电解液[LiPF6的碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯(EC/PC)溶液,1 mol/L,东莞杉杉电池材料有限公司],季戊四醇三丙烯酸酯(PETA,Sigma-Aldrich),偶氮二异丁腈(AIBN,Sigma-Aldrich)。

1.2 凝胶的制备和表征、凝胶电池的制作和电化学测试

在室温下,先将PETA单体充分溶解于有机电解液中,PETA单体和有机电解液的重量比为8∶92,再将混合液充分搅拌后加入引发剂AIBN,加入量为单体重量的1%,然后在80 ℃下真空加热0.5 h,使单体发生聚合反应并溶解有机电解液,得到凝胶电解质。软包电池包括575166型(标称容量1 A·h)、402035型(标称容量250 mA·h)和超薄型电池(厚度0.6 mm,标称容量28 mA·h)3种,电池的正极活性材料是LiCoO2(占电极总重量的98.5%),负极活性材料为人造石墨(占电极总重量的95%)。在制作凝胶型软包电池时,在注液步骤将上述比例的有机电解液、PETA单体和AIBN引发剂注入至电池中,再在80 ℃下进行原位聚合反应,最后冷却至室温。采用新威电池测试仪对电池进行充放电测试,电压范围为3.0~4.2 V。采用电化学工作站(上海辰华仪器公司)对液态和凝胶电池作交流阻抗(EIS)测试,测试频率范围为10‒2~105 HZ,振幅为5 mV。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对PETA及聚体产物进行表征,使用仪器为Vertex 70红外光谱仪。使用BETICALXTL型光学显微镜对拆卸后凝胶电池的正负极进行观察,分析凝胶电解质在正负极中的分散状态。

1.3 凝胶电池的热稳定性测试和安全性能测试

使用差示扫描量热仪(DSC)分析单体的聚合机理和聚合过程,测试温度范围为20~200 ℃,升温速率10 ℃/min,测试气氛为氩气,所用仪器是德国NETZSCH的L1406019同步热分析仪。使用DSC研究凝胶电解质或液态电解液与LiCoO2正极和石墨负极的热稳定性。正负极DSC测试前,先将电池充电至4.35 V,再在手套箱中将其拆解,各取10 mg左右的正负极极片(电解液未除去)置于氧化铝坩埚中进行测试,测试温度范围为25~300 ℃,升温速率10 ℃/min,测试气氛为氩气。使用热板测试和加速量热试验(ARC)测试电池的安全性。ARC试验采用典型的“加热-等待-搜寻”模式,维持绝热环境,直至热失控发生,使用仪器为英国THT的EV+加速量热仪。ARC测试时,起始温度为40 ℃,升温步阶为5 ℃,等待时间为40 min,系统自设灵敏度为0.02 ℃/min。对超薄型电池进行折叠和剪切试验,先将电池充电到4.2 V,再对其进行折叠和若干次剪切,检测此时电池的工作状况。

2 结果与讨论

2.1 凝胶电解质及凝胶型电极的外观与结构特征

为探索电池中原位聚合的工艺,先在电池外单独进行了聚合反应试验。图1(a)为液态电解液和PETA单体混合液聚合前后的数码照片。如图1(a)所示,经80 ℃真空加热后,所得聚合产物呈现胶状、透明和黏稠态,由聚合前的流体转变为“果冻”体。由此可见,所得聚合物已将液态电解液完全固定,即液态电解液已被聚合物完全溶胀[31-33]。DSC测试结果表明[图1(b)],聚合反应约在60 ℃开始,100 ℃已基本完成,80 ℃为聚合的峰值温度,因此,后续的电池原位聚合反应选择为80 ℃。FTIR测试显示,经过聚合反应,C=C键的峰强明显减弱,意味着PETA单体已发生聚合反应,如图1(c)所示。经计算拟合,聚合度约为85%。为检验凝胶电解质在电池中的分布,将电池拆卸,进行光学显微观察,如图1(d)和图1(e)所示。结果表明,凝胶电解质可均匀弥散于正极和负极中,从而有效降低电极/电解质的界面电阻,但研究发现,凝胶更易分散于负极中。需要说明的是,LiPF6的分解温度较高,在80 ℃下热聚合不会分解反应[34]

图1

图1   (a) 聚合前后电解质的形态;(b) 液态电解液、单体和引发剂混合液的DSC曲线;(c) 单体及其聚合物的FTIR光谱;FTIR凝胶电池拆卸后(d) 正极和(e) 负极的数码照片和光学显微照片

Fig. 1   (a) schematic illustration of electrolyte before and after polymerization; (b) DSC curve of mixture of liquid electrolyte, monomer and initiator; (c) FTIR of monomer and its polymer; digital and optical microscopy images of (d) cathode and (e) anode from dismantled gel battery


2.2 凝胶型电池的电化学性能

将组装的软包锂离子电池进行恒电流充放电测试,电压范围为3.0~4.2 V。作为对比,同时也测试了相同型号的液态锂离子电池的电化学性能。图2(a)和图2(b)分别为标称容量1 A·h的液态和凝胶锂离子电池(575166型)在室温下的充放电曲线(充电电流和放电电流均为0.5 C)。由图2(a)可知,液态电池化成后的首次放电容量为1061 mA·h,即稍高于标称容量。相对于液态锂离子电池,凝胶型电池的容量稍低[1041 mA·h,图2(b)],这说明凝胶电池的内阻较低,和液态电池具有可比性,即室温下凝胶电解质的锂离子电导率较高。图2(c)的EIS测试表明,凝胶电池的阻抗虽高于液态电池,但处于同一数量级,即两者的阻抗具有可比性,这与电化学性能测试相吻合。另外,从图2(b)还可看出,凝胶电池前3次的充放电曲线完全重合,说明该电池具有极佳的可逆性。从图2(d)可知,凝胶电池的循环稳定性稍弱于液态电池,经过800次循环,容量保持率达到91.5%,显示出优异的循环稳定性。图2(e)为标称容量250 mA·h的液态和凝胶锂离子电池(402035型)在60 ℃下的循环寿命(充电电流0.3 C和放电电流0.5 C)。高温下活性材料和电解质之间的副反应加速,因此相对于室温性能,液体电池和凝胶电池在高温下的循环寿命均降低。但相比之下,凝胶电池的循环稳定性稍优于液态电池,经过100次循环,凝胶电池的容量保持率为91%,这与凝胶电解质/LiCoO2或石墨界面稳定性较好有关。

图2

图2   室温下(a) 液态电池和(b) 凝胶电池的充放电曲线;(c) 液态电池和凝胶电池的EIS(d) 液态电池和凝胶电池在室温下的循环稳定性(充电电流和放电电流均为0.5 C);(e) 60 ℃下液态电池和凝胶电池的循环稳定性(充电电流0.3 C和放电电流0.5 C)

Fig. 2   Voltage profiles of (a) liquid battery and (b) gel battery; (c) EIS of liquid battery and gel battery; (d) cycling stability of liquid battery and gel battery at room temperature (charge and discharge at 0.5 C); (e) cycling stability of liquid battery and gel battery at 60 (charge at 0.3 C and discharge at 0.5 C)


为证实以上设想,进行了DSC测试,分析了LiCoO2正极和石墨负极分别与液态电解质和凝胶电解质的界面稳定性,如图3(a)和图3(b)。图3(a)中位于150 ℃附近的峰对应于LixCoO2分解的放热峰[35]。从图可知,虽然在液态和凝胶电解质下两者的峰位一致,但在使用凝胶电解质情况下峰强明显减弱,表明LixCoO2/凝胶电解质的界面稳定性较好。在石墨负极/电解质方面,对于凝胶电解质,在127 ℃处还出现了一个吸热峰,对应于凝胶的溶解,该峰的出现可一定程度上缓解电池热失控。

图3

图3   (a) LiCoO2正极与液态和凝胶电解质的DSC曲线;(b) 石墨负极与液态和凝胶电解质的DSC曲线

Fig. 3   (a) DSC curves of LiCoO2 cathode with liquid and gel electrolyte; (b) DSC curves of graphite anode with liquid and gel electrolyte


2.3 凝胶型电池的安全性能

为了评价凝胶电池安全性,进行了热板试验,并与液态电池作了对比。测试时,将液态电池和凝胶电池置于210 ℃的热板上,并同时监测两者的电压和表面温度的变化。如图4(a)所示,60 s时,两种电池均出现鼓胀,这说明两者均发生了由电解质分解引发的产气现象。但是,经过3 min后,液态电池开始冒烟,表明电池开始发生热失控,在随后的10 s内电池大量冒烟并开始燃烧,在3分30秒时,燃烧结束,电池被烧毁,见图4(b),这表明加热过程中液态电池内部发生了强烈的热失控反应。相比之下,经过31 min的热板加热试验,凝胶电池仅发生鼓胀没有发生燃烧现象,如图4(a)和图4(b)所示。这表明凝胶电池内部没有发生明显的热失控现象,也就是说,在实际使用中,凝胶电池的安全性将远高于液态电池。

图4

图4   (a) 液态和凝胶电池的热板试验;(b) 热板试验后两种电池的形态;(c) 热板试验中两种电池的开路电压和表面温度的变化

Fig. 4   (a) hot-plate test of liquid and gel batteries; (b) appearance of batteries after hot-plate test; (c) surface temperature and OCV of batteries during hot-plate test


图4(c)为热板试验中实时记录的电池开路电压(OCV)和表面温度。对于凝胶电池,经过2000 s后,开路电压由4.326 V降到3.3 V,没有发生短路,相比之下,液态电池的开路电压在670 s内,从4.335 V迅速降到0 V,表明电池已发生短路。在铁板加热试验中,凝胶电池的表面温度从室温上升到140 ℃左右后,基本维持不变,并在2000 s后下降至室温,而液态电池伴随着电池短路、燃烧,表面温度在690 s内迅速上升到400 ℃以上,然后随着燃烧的结束,电池的表面温度下降至室温。从热板试验不难看出,凝胶电池抵抗热失控的能力较强,其安全性能远高于液态电池。

为进一步说明凝胶电池比液态电池具有更好的安全性,进行了加速量热(ARC)试验,如图5所示。加速量热仪基于绝热原理设计,灵敏度较高,能精确测得样品热分解初始温度、绝热分解过程中温度随时间的变化曲线,往往可和DSC配合使用。ARC测试显示,凝胶电池发生热失控需要的时间比液态电池长,因此,可以认为,凝胶电池具有更好的安全性。对于液态电池,一般认为,锂离子电池工作时热失控从固态电解质膜(SEI)的分解开始,引发LixC6和电解液的反应,产生热量熔化隔膜引起电池的内短路,进而促使正负极的接触发生反应,引起电芯的快速升温,以及正极析氧点燃有机电解液等[36]。而对于凝胶电池,有机电解液被聚合物固定,不易与LixC6接触发生反应,且液态电解液也不易挥发引发快速燃烧,从而一定程度上提高了电池的安全性。

图5

图5   ARC测试曲线

Fig. 5   Curves of ARC tests


图6(a)为采用原位聚合反应制作的超薄型锂离子电池,其尺寸为52 mm×20 mm×0.6 mm,标称容量为28 mA·h。由于厚度仅为0.6 mm,该电池显示出较好的柔性。将超薄电池充电至4.2 V后,连接LED灯,如图6(b)所示,该超薄电池经折叠和多次剪切后,仍可以正常工作。这一方面表明该电池具有很好的安全性能,另一方面也说明聚合物已将液态电解液固定,没有出现由于液态电解液挥发引发的电池失效现象。该超薄电池优异的安全性能使之可作为超薄、柔性电子器件的理想电源。

图6

图6   (a) 超薄软包电池;(b) 折叠和剪切试验

Fig. 6   (a) ultrathin pouch battery; (b) folding and cutting tests


3 结论

以季戊四醇三丙烯酸酯单体为前体,LiCoO2为正极、人造石墨为负极,采用原位聚合法制备了凝胶型软包电池,其中凝胶电解质弥散于整个电池中。电化学测试表明,凝胶电池较液态电池具有可比的容量和循环稳定性,室温下经过800次循环,容量保持率为91.5%,60 ℃下经过100次循环,容量保持率为91%。热板试验、DSC试验、ARC试验均表明,凝胶电池比液态电池具有更为优异的安全性能。本研究的结果表明,在全固态锂电池实用化之前,凝胶型电池可作为过渡品,应用于安全性电动汽车和电池产品。

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