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LiFePO_4正极导电体系及其倍率放电性能研究

作　者: 陈金宏
导　师: 许静；盘毅
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 应用化学
关键词: LiFePO4 导电体系 乙炔炭黑 碳纳米管 倍率放电
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


高功率锂离子电池（放电倍率≥20C）是一种基于Li+和电子快速传输的新型动力电源。导电剂能够在高功率锂离子电池的活性物质、活性物质与集流体之间提供电子导电通道,从而减小电极接触电阻,加快电子传导,有效地促进Li+在电极材料中的迁移,发挥活性物质的高倍率性能。本论文以微米级LiFePO4为正极材料,采用乙炔炭黑、碳纳米管以及乙炔炭黑/碳纳米管复合导电剂三种导电剂构建了不同的正极导电体系,系统地研究了导电剂种类、导电剂比例对于正极导电体系的电子导电性和高倍率放电性能的影响,深入地分析了不同导电体系的作用机理。采用乙炔炭黑与LiFePO4构建正极导电体系时,随着乙炔炭黑含量的增加,体系的电子导电性逐渐提高,正极的容量保持率随之提高;当乙炔炭黑含量为12 wt%时,乙炔炭黑颗粒与活性物质之间形成了有效的短程电子导电通道,乙炔炭黑颗粒之间形成了完善的长程电子导电通道,此时体系具有最高的高倍率放电容量保持率和中值电压,20 C、40 C倍率放电容量保持率分别达到67.0%和52.6%,并实现了微米级LiFePO4正极材料的100 C放电;当乙炔炭黑含量超过12 wt%,体系的电子导电性略有提高,但其高倍率放电容量保持率和中值电压均有不同程度的降低。正极厚度的降低可减小电极极化,从而提高正极在高倍率下的放电容量保持率和中值电压。采用碳纳米管与LiFePO4材料构建正极导电体系时,由于碳纳米管的长程电子导电性能较好,可以有效地提高正极的电子导电性,其中碳纳米管导电剂含量为6 wt%时体系的电子导电性与9 wt%乙炔炭黑含量的体系相当。但由于碳纳米管与活性物质之间的接触面积小,短程通电通道少,其高倍率性能较乙炔炭黑-LiFePO4正极导电体系差。乙炔炭黑能够有效改善LiFePO4表面的短程电子导电性,并提供电子广泛传输通道;碳纳米管能够有效改善正极导电体系的长程电子导电性,并提供电子快速传输的通道。基于二者各自的优势,将两种导电剂进行复合,创造性地将乙炔炭黑/碳纳米管（1: 0.005）复合导电剂应用于LiFePO4正极导电体系。研究表明,9 wt%的乙炔炭黑/碳纳米管（1: 0.005）复合导电剂-LiFePO4正极导电体系的电子导电性和高倍率放电性能优于12 wt%乙炔炭黑-LiFePO4正极导电体系。将该复合导电剂应用于KD-T19型锂离子电池的制备,其内阻为89 m?,25C倍率放电下容量保持率达到了75.5%。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-25
  1.1 引言  12-13
  1.2 高功率锂离子电池研究现状  13-21
    1.2.1 正极材料的研究状况  13-17
    1.2.2 电极设计与优化研究  17-18
    1.2.3 电池结构设计与改进  18-19
    1.2.4 电池研制进展  19-21
  1.3 导电剂的研究现状  21-24
    1.3.1 导电剂的种类和特性  21-22
    1.3.2 导电剂在高功率锂离子电池中的应用  22-24
  1.4 论文研究目的、依据与内容  24-25
    1.4.1 论文研究目的  24
    1.4.2 论文研究内容  24-25
第二章 实验  25-29
  2.1 实验药品及其规格  25
  2.2 仪器与设备  25-26
  2.3 分析测试方法  26-29
    2.3.1 物性分析  26-27
    2.3.2 性能测试  27-29
第三章 结果与讨论  29-67
  3.1 乙炔炭黑对LiFeP0_4 正极导电体系倍率放电性能的影响研究  29-45
    3.1.1 乙炔炭黑材料表征  29-30
    3.1.2 乙炔炭黑在正极中的分布及其含量对正极电子导电性的影响  30-34
    3.1.3 乙炔炭黑含量对正极倍率放电容量保持率的影响  34-36
    3.1.4 乙炔炭黑含量对正极倍率放电电压的影响  36-38
    3.1.5 乙炔炭黑含量对正极倍率放电性能影响的机理探讨  38-42
    3.1.6 正极厚度对其倍率放电性能的影响  42-45
  3.2 碳纳米管对LiFeP0_4 正极导电体系倍率放电性能的影响研究  45-55
    3.2.1 碳纳米管材料表征  46
    3.2.2 碳纳米管在正极中的分布及其含量对正极电子导电性的影响  46-49
    3.2.3 碳纳米管含量对正极倍率放电容量保持率的影响  49-50
    3.2.4 碳纳米管含量对正极倍率放电电压的影响  50-52
    3.2.5 碳纳米管含量对正极倍率放电性能影响的机理探讨  52-55
  3.3 乙炔炭黑与碳纳米管对 LiFeP0_4 正极导电体系倍率放电性能影响的对比研究  55-59
    3.3.1 乙炔炭黑、碳纳米管正极导电体系的电子导电性对比  55-57
    3.3.2 乙炔炭黑、碳纳米管正极导电体系的倍率放电性能对比及其机理研究  57-59
  3.4 乙炔炭黑/碳纳米管复合导电剂对 LiFePO_4 正极导电体系倍率放电性能的影响研究  59-67
    3.4.1 复合导电剂在正极中的分布及其含量对正极电子导电性的影响  60-62
    3.4.2 复合导电剂含量对正极倍率放电性能的影响及其机理探讨  62-65
    3.4.3 KD-T19 型锂离子电池的制备及其倍率放电性能表征  65-67
结论  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-76
作者在学期间取得的学术成果  76

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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