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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。

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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