锂离子蓄电池铝壳合金分对电池性能的影响

目前锂离子蓄电池应用比较广泛，它以比能量高及设计灵活为主要特点，现在比起其它体系的电池，锂离子蓄电池在便携式电池中占63%的销售值[1]。这就是人们为何在基本原理和应用上特别关注锂离子蓄电池的原因[2]。其中铝壳锂离子蓄电池应用较多，现在铝壳锂离子蓄电池主要有方角和圆角两种。铝壳材质一般为铝锰合金。它含有的主要合金成分有Mn、Cu、Mg、Si、Fe。这些成分的主要作用是：Cu和Mg提高强度和硬度，尤其可以使铝合金具有时效硬化的特性，使之通过处理而显著强化;Mn主要提高耐腐蚀性;Si增强含镁铝合金的热处理强化效果;Fe可以提高高温强度[3]。合金成分含量不同，对电池壳的影响也不同。实验证明，提高Cu和Mg的含量会改进电池壳的强度和硬度，抵制电池的鼓胀，也进一步影响电池性能。

　　我们以053450 A/860方角铝壳锂离子蓄电池为研究对象，研究分析了壳材质合金含量对电池及性能的影响。

　　2 结果与讨论

　　2.1 合金含量对电池壳强度和硬度的影响

　　053450 A 3电池壳的Cu和Mg合金含量略多于053450A 2和053450 A 1，测得电池壳的强度和硬度也略高于另两个规格，见1.1节。增加Cu和Mg的合金含量可以提高电池

　　壳的强度和硬度。

　　2.2 三种材质对封口焊接的影响

　　从实验数据里的熔深、焊缝高度和焊漏电池只数可以看出，这三种材质与电池上盖的激光可焊性基本一样。053450A 3材质中Cu和Mg的含量较其它两种材质略多，从实验数据看，Cu和Mg的含量增加没有影响生产使用中的可焊性。

　　2.3 电池壳合金含量对电池性能的影响

　　锂离子蓄电池在初次放电时会在电解液和电极表面形成一层稳定的、具有保护作用的钝化膜(Solid Electrolyte Inter-face，简称SEI膜)[6]，形成的钝化膜对电极、电池性能和不可逆比容量损失起着重要作用。它可以将电解液与电极隔开，消除(或减少)溶剂和阴离子从电解液转入电极，阻止溶剂分子的共嵌入，而又允许Li+嵌入和脱嵌，起保护电极作用[7]。在SEI膜形成过程中，生成HF、短链R-H、CO2、CO等气体[8]，电解液溶剂分解产生气体R-H等[9]。SEI膜生成以后，水的存在又会使LiPF6分解生成HF气体[10]。这些气体的产生会使电池的内压增大，逐渐增多的内压有让电池壳壁向外鼓的趋势。壳抵制侧鼓的能力不同，相应的电池性能也不同。 由1.1节可知，053450 A 3与原壳厚相比的膨胀系数为1.018，低于053450 A 1和053450 A 2两个规格。膨胀系数小，电池壳的鼓胀就小，电池的厚度就相应小一些，053450 A 3的成品电池厚度较其它两个规格的厚度小。在这里控制电池壳膨胀的主要因素是壳的Cu和Mg合金含量。053450 A 3的壳合金含量比其它两个规格略高，尤其是Mg的含量。在电池设计时，基本保证卷芯入壳的松紧度(也叫电池的装配比)为85%。电池的松紧度一般控制在80%～90%[5]。在相同的外界条件下，基本保证了三种实验电池内部水分相同，也就是说三种实验电池的内压基本相同。由实验数据可知：053450 A 3电池壳抵制内压的能力大一些，侧鼓较小，而053450 A 1和053450 A 2电池壳抵制内压的能力小一些，侧鼓较大。

　　锂离子蓄电池是一种锂离子浓差电池，充放电时Li+在正负极间脱嵌与嵌入[5]，正极材料LixCoO2在Li+脱嵌过程中(x从1减小到0.4)，层间距从0.465 nm增大到0.485 nm，正极体积膨胀;负极材料石墨在Li+嵌入过程中，石墨层间距d002从0.345 4 nm增大到0.370 6 nm(LiC6)，负极体积膨胀[10]。锂离子在电场的作用下进行电迁移。在锂离子的迁移数不变时，锂离子的电迁流量随电池内部几何形状的改变而不同。壳体膨胀，正、负极片之间间距增大，锂离子迁移速率变慢，迁移困难，溶液的电导率发生质的改变[11]。053450 A 3电池在壳壁的抵制下内部体积变化较小，锂离子的迁移速率比053450 A 1和053450 A 2大，相应的溶液电导率较大，这可以反映在电池的内阻上，053450 A 3电池内阻略小于另两规格。内阻小，不可逆比容量损失少，电池释放容量较多，循环寿命也相应较高。这也是053450 A3电池的放电比容量和循环寿命略高于053450 A 1和053450 A 2的原因。值得一提的是，三种规格电池的放电平台没有太大区别。

　　3 结论

　　锂离子蓄电池壳的铝合金含量对电池的性能有影响，不同的合金含量对电池的鼓胀和性能影响不同，尤其Cu和Mg的含量影响更大一些。在芯人壳松紧度一定情况下，较多的合金含量Cu和Mg可以抵制电池壳的鼓胀，并进一步影响电池厚度、容量、内阻和电池的循环寿命，其对放电平台的影响不大。现在，容量高厚度薄正是商品化锂离子蓄电池的追求目标[12]，我们不妨从改善合金含量来考虑。适当调整合金成分比例可使电池性能作些改变，在本实验中，0.14%的Cu和0.26%的Mg使用效果较好，值得推荐使用。