當(dāng)電池在低溫或大倍率充電時，可能存在鋰離子到達(dá)負(fù)極后不能及時嵌入石墨層間而發(fā)生析鋰的問題，即動力學(xué)受限導(dǎo)致的極化現(xiàn)象。因此，為了更好地研究電池的各種電化學(xué)性能，經(jīng)常會引入?yún)⒈入姌O，分別測試正極和負(fù)極相對參比電極的電位及其在不同測試工況下的電位變化。

利用三電極可對電池化成的成膜反應(yīng)、循環(huán)充放電、倍率充放電、高低溫充放電、電池析鋰量化分析、正負(fù)極阻抗變化以及電池失效等方面進(jìn)行全面、原位的分析。在電池預(yù)充化成過程中，通過引入?yún)⒈入姌O可得到正負(fù)極各自相對于一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電極的電壓變化，實(shí)現(xiàn)對電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行原位檢測。

再者，如電池在進(jìn)行倍率充放電時，中值電壓會隨著充放電倍率的增大而降低，而三電極體系的應(yīng)用可以很好地分析正、負(fù)極各自的極化程度,有針對性地提出性能改善方法。本文采用鋰片或鍍鋰后的銅絲作為參比電極，通過電化學(xué)測試研究電池內(nèi)部各電極在充放電過程中的電化學(xué)行為。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 石墨負(fù)極材料選型

三款石墨負(fù)極材料的理化特性如表1所示，因材料粒徑、顆粒形貌及碳包覆處理對石墨材料動力學(xué)性能影響較大，故選擇以上三種不同類型的石墨材料進(jìn)行對比分析。

1.2 材料表征測試

采用掃描電子顯微鏡(Zeiss EV018，德國產(chǎn))對三款石墨負(fù)極材料形貌進(jìn)行表征分析。

1.3 電池組裝

1.3.1 參比電極的處理

選擇直徑為40um的漆包銅絲，并經(jīng)過如下處理步驟(圖1)。

1.3.2 軟包三電極電池的制作

正極選擇磷酸鐵鋰LFP材料，負(fù)極匹配不同類型的石墨進(jìn)行研究。正極片由LFP、聚偏氟乙烯PVDF、導(dǎo)電碳黑SP組成，負(fù)極片分別由如上石墨、導(dǎo)電碳黑SP、羧甲基纖維素鈉CMC、丁苯橡膠 SBR組成，隔膜采用20μm PP基膜。電解液包含1 mol/L LiPF6、EC∶EMC∶DEC(質(zhì)量比25∶40∶30)和VC2％。對負(fù)極片、隔膜及正極片進(jìn)行Z字形疊片，制作軟包裝電池，設(shè)計(jì)N/P均為1.15，設(shè)計(jì)容量5Ah。在軟包電池Z字型疊片方式的基礎(chǔ)上，按照正極、隔膜、參比電極、隔膜、負(fù)極的順序組裝并引出所述參比電極的極耳，可從鋰離子電池的頂端、兩側(cè)或底端引出 (如圖2所示)。

1.3.3 參比電極鍍鋰

采用藍(lán)電扣式電池充放電設(shè)備，取分容后的電池(50％SOC)，采取如下方式對參比電極鋰：(1)正向鍍鋰：電極連接方式為正極＋參比電極，電流0.5mA，時間2h；(2)反向鍍鋰：電極連接方式為負(fù)極＋參比電極，電流0.5mA，時間2h。

1.4 電性能測試

1.4.1 倍率充電性能測試

應(yīng)用動力電池測試設(shè)備對A、B、C三組軟包電池進(jìn)行倍率充電性能測試，充電倍率均為1.5C，溫度25±2℃。測試工步如下：電池以0.3C恒流恒壓充電至3.65V，以0.3C恒流放電至2.5V，循環(huán)3次；最后以1.5C倍率充電至3.65V，各步驟時間間隔30min。同時應(yīng)用測試儀(HIOKI)監(jiān)控負(fù)極(vs．參比電極)的電位變化。

1.4.2 電池階梯充電測試

磷酸鐵鋰體系電池在低溫或倍率充電時易出現(xiàn)析鋰問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以采用分步階梯充電方式，即電池在低SOC時采用較大電流充電，在高SOC時減小充電電流，以降低充電末期負(fù)極石墨的析鋰風(fēng)險，保證電池綜合性能。實(shí)驗(yàn)針對析鋰風(fēng)險最大的A組電池進(jìn)行分步階梯充電研究，電流依次為1.2C、0.8C、0.3C，測試溫度25±2℃。

2、結(jié)果與討論

2.1 材料表征

圖3為A、B、C三款不同石墨負(fù)極材料顆粒形貌SEM照片，A、B組均為單顆粒與二次顆?；旌喜牧?，粒徑13~14μm，C組為單顆粒小粒徑石墨材料，粒徑７μm。

2.2 電池倍率充電性能測試

如前言部分所述，引入?yún)⒈入姌O，可監(jiān)測充電時電池正負(fù)極的電位變化。圖4為A、B、C三組軟包電池倍率充電性能測試曲線，表2為電池充電末期負(fù)極電位對比數(shù)據(jù)。

對比 A、B、C三組電池充電曲線可以看出，C款石墨負(fù)極材料倍率充電性能更好，從石墨材料角度來講，小粒徑及碳包覆處理有利于提升石墨的動力學(xué)性能，降低負(fù)極析鋰風(fēng)險,測試結(jié)果與理論相一致。

研究表明，電池在充電過程中，若正極脫出的Li＋沒有及時嵌入到負(fù)極內(nèi)部，多出的部分Li＋就會在負(fù)極表面被還原，引入?yún)⒈入姌O監(jiān)控電池在充電過程中負(fù)極的真實(shí)電位，若負(fù)極最低電位達(dá)到達(dá)到0V或以下，即可判定存在析鋰風(fēng)險；同時負(fù)極0V對應(yīng)電池的SOC越高，或者負(fù)極的最低電位越高，表明材料倍率性能越好。

2.3 電池充電制度研究

選擇A組電池進(jìn)行分步階梯充電，曲線如圖5所示，電池階梯充電過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

由數(shù)據(jù)可以看出，采用不同電流(依次為1.2C、0.8C、0.3C)階梯分步充電，整體充電時長為63min，與采用常規(guī)1C恒流恒壓充電所需時間基本一致；充電末端負(fù)極電位為0.0727V，高于析鋰電位(0V)，降低了負(fù)極析鋰風(fēng)險，因此采用此充電方法可在不增加充電時長的同時又能保證充電效果及電池性能。

3、結(jié)論

本文制作了磷酸鐵鋰三電極軟包電池，定性研究了電池充電過程析鋰風(fēng)險。應(yīng)用不同石墨負(fù)極材料的軟包電池，充電末端負(fù)極析鋰風(fēng)險不同，小粒徑碳包覆石墨材料的動力學(xué)性能更好，充電析鋰風(fēng)險更低。對磷酸鐵鋰電池充電制度開展了相關(guān)研究結(jié)果表明，充電過程采用分步階梯充電，依次為1.2C、0.8C、0.3C，即電流遞減的方式，電池在充電末期負(fù)極電位為0.07270V，高于析鋰電位0V，降低了充電末期負(fù)極析鋰風(fēng)險。綜上，三電極方法對鋰離子電池充電制度研究、負(fù)極石墨材料動力學(xué)性能評價及材料體系選型、鋰離子電池失效分析具有一定指導(dǎo)意義。

審核編輯：湯梓紅