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LiFePO4/Li4Ti5O12电池的研究
作 者: 胡华冲
导 师: 曹殿学
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 应用化学
关键词: 锂离子电池 LiFePO4 Li4Ti5O12 高倍率 导电碳
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
由于LiFePO4和Li4Ti5O12材料具有良好的倍率性能和循环寿命,因此以LiFePO4作为正极以Li4Ti5O12作为负极的LFP/LTO锂离子电池可作为电动汽车长寿命和高功率密度的动力电池。本文首先对所用正负极材料进行了表征及电化学性能研究,然后研究了使用不同粘结剂、导电碳、隔膜和电解液所制备的LFP/LTO软包装电池性能。通过XRD和SEM表征选定正极材料LFP-3和负极材料LTO-1,两种材料均为均匀的纳米颗粒。分别将两种材料与金属锂组装成半电池,测试所选材料的电化学性能。LFP-3在0.1C时的嵌锂比容量可达158.1mAh·g-1,脱锂比容量可达158.8mAh·g-1,5C时的嵌锂比容量可达118.1mAh·g-1,脱锂比容量可达119mAh·g-1,在高倍率下可发挥较高的比容量。LTO-1在0.1C时的嵌锂比容量可达165.7mAh·g-1,脱锂比容量可达165.2mAh·g-1,10C时的嵌锂比容量可达108.8mAh·g-1,脱锂比容量可达108.8mAh·g-1,1C循环100次以后,比容量保持为94.7%,LTO-1具有良好的倍率脱锂、倍率嵌锂性能和循环性能。LFP-3和LTO-1可满足LFP/LTO电池的快速充放电性能。对LFP/LTO软包装电池材料进行了筛选,确定各种材料对电池性能的影响。在正极粘结剂方面,由于粘结剂分子量不同,B-a粘结剂对电池的倍率放电和低温放电性能有利,B-b粘结剂对电池的倍率充电和循环性能较为有利。在负极导电碳方面,ECP在电池的倍率放电和倍率充电性能方面表现均比SP优异,循环容量保持率也比SP更高,但低温性能中ECP和SP表现相当。在隔膜方面,隔膜A和隔膜C均具有良好的热稳定性,隔膜A内阻更低,对电池的高倍率性能较为有利,但低温性能和隔膜C相差无几,而在循环性能中,隔膜C具有优于隔膜A的稳定性。在电解液方面,E-2电解液对电池极化影响最小,而E-4电解液对电池低温放电性能更为有利。LFP/LTO电池能量密度可达58Wh·kg-1,最大峰值功率密度可达1kW·kg-1,5C充电2C放电时的循环寿命可达2500次以上,具有较好的发展前景。
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全文目录
摘要 5-6 Abstract 6-8 目录 8-11 第1章 绪论 11-29 1.1 引言 11-13 1.2 锂离子电池概述 13-16 1.2.1 锂离子电池基本原理 13 1.2.2 锂离子电池结构与材料 13-15 1.2.3 锂离子电池发展趋势 15-16 1.3 锂离子电池材料研究现状 16-23 1.3.1 正极材料 LiFePO_4的研究现状 16-20 1.3.2 负极材料 Li_4Ti_5O_(12)的研究现状 20-23 1.4 LiFePO_4/Li_4Ti_5O_(12)动力电池 23-26 1.4.1 LiFePO_4/Li_4Ti_5O_(12)工作原理 23-24 1.4.2 LiFePO_4/Li_4Ti_5O_(12)电池的特点 24 1.4.3 Li_4Ti_5O_(12)电池研究现状 24-25 1.4.4 Li_4Ti_5O_(12)电池应用及 LFP/LTO 电池前景 25-26 1.5 锂离子电池设计基础 26-27 1.5.1 锂离子电池结构 26 1.5.2 锂离子电池其他材料 26-27 1.6 论文研究目的意义及内容 27-29 1.6.1 研究目的及意义 27-28 1.6.2 主要研究内容 28-29 第2章 实验方法 29-38 2.1 实验试剂与仪器 29-31 2.1.1 实验试剂 29-30 2.1.2 实验仪器 30-31 2.2 电极材料及电极片的表征 31 2.2.1 X 射线衍射(XRD) 31 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM) 31 2.3 电极制备及电池组装 31-33 2.3.1 电极制备 32 2.3.2 半电池组装 32-33 2.3.3 全电池组装 33 2.4 半电池测试 33-35 2.4.1 循环伏安测试(CV) 34 2.4.2 电化学阻抗测试(EIS) 34 2.4.3 恒流充放电测试 34-35 2.5 全电池测试 35-37 2.5.1 恒流充放电测试 36 2.5.2 低温性能测试 36 2.5.3 能量密度及功率密度测试 36-37 2.6 本章小结 37-38 第3章 LiFePO_4与 Li_4Ti_5O_(12)材料表征及半电池性能研究 38-56 3.1 正极材料 LiFePO_4的表征与选择 38-41 3.1.1 正极材料 LiFePO_4的 XRD 表征 38-39 3.1.2 正极材料 LiFePO_4及极片的 SEM 表征 39-41 3.2 LFP/Li 半电池测试 41-46 3.2.1 LFP/Li 循环伏安测试 42 3.2.2 LFP/Li 电化学阻抗测试 42-43 3.2.3 LFP/Li 恒流充放电测试 43-45 3.2.4 LFP/Li 循环性能测试 45-46 3.3 负极材料 Li_4Ti_5O_(12)的表征与选择 46-49 3.3.1 负极材料 Li_4Ti_5O_(12)的 XRD 表征 46-47 3.3.2 负极材料 Li_4Ti_5O_(12)及极片的 SEM 表征 47-49 3.4 LTO/Li 半电池测试 49-54 3.4.1 LTO/Li 循环伏安测试 49-51 3.4.2 LTO/Li 电化学阻抗测试 51-52 3.4.3 LTO/Li 恒流充放电测试 52-54 3.4.4 LTO/Li 循环性能测试 54 3.5 本章小结 54-56 第4章 LFP/LTO 全电池性能研究 56-76 4.1 正极粘结剂对 LFP/LTO 电池的影响 56-59 4.1.1 倍率放电性能测试 56-57 4.1.2 倍率充电性能测试 57-58 4.1.3 低温放电性能测试 58-59 4.1.4 循环性能测试 59 4.2 ECP 在 LFP/LTO 电池负极片中的应用 59-63 4.2.1 倍率放电性能测试 60-61 4.2.2 倍率充电性能测试 61-62 4.2.3 低温放电性能测试 62 4.2.4 循环性能测试 62-63 4.3 隔膜对 LFP/LTO 电池的影响 63-69 4.3.1 隔膜热实验 63-65 4.3.2 不同隔膜的全电池内阻测试 65-66 4.3.3 倍率放电性能测试 66 4.3.4 倍率充电性能测试 66-67 4.3.5 低温放电性能测试 67-68 4.3.6 循环性能测试 68-69 4.4 电解液对 LFP/LTO 电池的影响 69-72 4.4.1 倍率放电性能测试 69-70 4.4.2 倍率充电性能测试 70-71 4.4.3 低温放电性能测试 71 4.4.4 循环性能测试 71-72 4.5 LFP/LTO 电池其他性能测试 72-74 4.5.1 LFP/LTO 电池能量密度测试 72-73 4.5.2 LFP/LTO 电池功率密度测试 73 4.5.3 LFP/LTO 电池高倍率循环性能测试 73-74 4.6 本章小结 74-76 结论 76-78 参考文献 78-85 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 85-86 致谢 86
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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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