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石墨负极低温性能影响因素及改进研究

作 者: 向宇
导 师: 洪晓斌
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 材料科学与工程
关键词: 锂离子电池 低温性能 复合电解液 Li4Ti5O12 包覆
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


锂离子电池具有高比功率、高比能量等优点,而广泛应用于军事、民用领域。但在特殊低温环境中,由于石墨负极性能恶化导致锂离子电池性能满足不了实际要求。本论文首先采用常规电解液(1 mol/L, LiPF6, VEC: VDEC= 1: 1)对石墨材料进行常低温下的恒流充放电和交流阻抗测试。结果表明,随着温度降低,嵌锂比容量下降较大,-10℃时嵌锂比容量只有83.2 mAh/g。在不同温度下,石墨的嵌锂比容量和脱锂比容量基本一致,所以低温下循环时其可逆比容量主要是由嵌锂比容量决定。温度降低时Rct(界面电荷转移阻抗)和Re(与电解液的Li+扩散阻抗相关)急剧增大是影响石墨低温性能的主要因素,而且Rct的影响程度更大于Re。虽然Rsei(Li+在SEI膜中的扩散阻抗)在低温下的数值是最小的,但Rsei、Rct不是独立变化的。其次,本文设计、配制了复合电解液,并测试了石墨负极在其中的性能。研究发现,复合电解液可以有效改善SEI膜的组成和结构,提高了石墨负极与电解液的相容性,使得石墨负极在室温时的首次可逆比容量提高到334 mAhg-1。采用复合电解液后,石墨在-10℃的可逆比容量达到了174.8 mAhg-1,提高较大,但在-20℃时可逆比容量仍然偏低。这说明单一采用复合电解液还不能完全解决石墨的低温性能。最后本文拟采用Li4Ti5O12包覆石墨(LTO-G)的方法来改善石墨负极的界面性能并提高低温性能。研究发现,采用原位聚合法时Li4Ti5O12是以颗粒态附着在石墨表面的,使得石墨表面形成一种较复杂的复合界面。当反应温度为60℃时,采用逐滴加入Ti(OC4H9)4的方式即可获得性能最佳的6#-LTO-G,此时包覆层Li4Ti5O12颗粒结晶度较高、尺寸较大。经过交流阻抗和循环伏安测试,6#-LTO-G的锂离子扩散系数最大,而且其界面Li+扩散阻抗和异相界面电荷转移阻抗均相比与原始石墨均有所下降。在常规电解液中,6#-LTO-G常温时的首次可逆比容量达到323.2 mAhg-1;在-10℃,可逆比容量达到171.8 mAhg-1,相比于包覆前提高了近一倍。但是在-20℃时,6#-LTO-G的可逆比容量只有29.2 mAhg-1,表明还需针对Li4Ti5O12包覆石墨做进一步的研究。

全文目录


表目录  6-7
图目录  7-9
摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-21
  1.1 引言  12-15
    1.1.1 锂离子电池的发展历史  13
    1.1.2 锂离子电池工作原理  13-14
    1.1.3 锂离子电池的优缺点  14-15
  1.2 锂离子电池低温性能研究进展  15-19
    1.2.1 负极材料低温性能改善研究  16-17
    1.2.2 低温电解液研究  17-19
  1.3 本论文研究的意义及内容  19-21
    1.3.1 研究意义  19-20
    1.3.2 研究内容  20-21
第二章 实验设计与分析测试方法  21-28
  2.1 实验设计思路  21-22
  2.2 实验设计方案  22-23
  2.3 实验药品与仪器  23
  2.4 实验过程  23-25
    2.4.1 溶液法制备LTO-G  23-24
    2.4.2 低温电解液的配置  24
    2.4.3 极片制备  24-25
    2.4.4 模拟电池测试  25
  2.5 分析测试方法  25-28
    2.5.1 扫描电子显微镜分析(SEM)  25-26
    2.5.2 高分辨透射电子显微镜分析(HRTEM)  26
    2.5.3 X射线衍射分析(XRD)  26
    2.5.4 恒流充放电测试  26-27
    2.5.5 循环伏安测试(CV)  27
    2.5.6 交流阻抗测试(EIS)  27-28
第三章 结果与讨论  28-72
  3.1 石墨负极低温特性及其影响因素研究  28-42
    3.1.1 常规电解液中石墨负极的低温特性及其作用机理  28-37
    3.1.2 低温电解液中石墨负极的低温特性及其作用机理  37-42
  3.2.Li_4Ti_50_(12) 包覆石墨工艺及性能研究  42-72
    3.2.1 包覆方法的设计  43-51
    3.2.2 原料添加次序对LTO-G性能的影响  51-56
    3.2.3 反应温度对包覆的影响  56-65
    3.2.4 最佳包覆工艺下的LTO-G室温电性能研究  65-68
    3.2.5 最佳制备工艺下的LTO-G低温电性能研究  68-72
第四章 结论  72-73
第五章 展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-80
作者在学期间取得的学术成果  80

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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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