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预充工艺对锂电池性能的影响以及聚苯胺改性负极的研究

作　者: 陈丹丹
导　师: 焦正；赵兵
学　校: 上海大学
专　业: 化学工艺
关键词: 锂离子电池 预充 产气 固体电解质相界面（SEI）膜 聚苯胺
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


在锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液溶液之间会形成一层钝化膜，这层钝化膜覆盖在电极材料表面，具有固体电解质的特性，是电子的绝缘体却是Li~+的优良导体，Li~+可以自由的地通过钝化层嵌入和脱出，所以这层膜称为固体电解质界面膜（SEI）。SEI膜的形成对电池的性能有着极其重要的影响：首先，SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，而且溶剂分子不能通过该层钝化膜，可有效防止溶剂分子的共嵌入对电极材料的破坏，大大提高了电极的循环性能和使用寿命。但是另一方面，SEI膜的形成也对锂离子电池的其他性能有所影响。（1）由于SEI膜形成过程中消耗了部分的锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电池的能量密度。（2）由于SEI膜形成不均一的无机层和有机层，无机层在充放电过程中有10-20%的膨胀收缩，所以SEI膜容易形成断层。而且随着充放电次数的增加，SEI膜会不断增厚。这些都会导致电池的循环寿命缩短。（3）SEI膜的完整才能避免Li~+还原为金属锂，而循环过程中锂枝晶的形成易导致电池的短路。预充过程是SEI膜形成的过程，本文研究了磷酸铁锂钢壳电池预充过程中温度条件对电池性能的影响。通过研究比较在20℃，30℃，40℃下预充电池放电容量、放电平台、内阻变化、循环性能，以及极片表面的状态，分析得出30℃为最佳的预充温度。据此，我们还研究了30℃下电池的预充产气情况，随着预充反应的进行，自2.5V开始产气量迅速增加，到3.3V产气量达到最大值，之后出现消气现象。并选取在3.3V，3.65V，3.8V三个不同的预充电压对电池进行抽气封口，分析比较其倍率性能、高温荷电保持能力、循环及安全性能，得出3.3V时封口的电池具有最佳的性能。针对电池在首次充放电过程中形成SEI膜消耗锂离子，和在长时间使用过程中负极体积膨胀/收缩、使得SEI膜破损断裂/再次形成消耗锂离子，造成容量衰减的问题，我们选择首先在石墨负极表面电沉积一层类似于SEI膜的聚苯胺保护膜，来增强电池的性能。通过比较首次库伦效率、充放电比容量和循环性能，得出在负极表面电沉积一层聚苯胺膜可以有效降低电池的首次充放电不可逆容量的损失，并且其循环性能得到明显改善。

全文目录


摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章 绪论  12-23
  1.1 锂离子电池的发展史  12-15
    1.1.1 锂离子电池的发展史  12-13
    1.1.2 锂离子电池的工作原理  13-14
    1.1.3 锂离子电池的发展趋势  14-15
  1.2 固体电解质中间相（SEI 膜）  15-21
    1.2.1 SEI 膜的概念  15-16
    1.2.2 SEI 膜的形成机理  16-17
    1.2.3 SEI 膜形成影响因素  17-21
  1.3 论文的研究内容及意义  21-23
    1.3.1 论文的研究内容  21-22
    1.3.2 论文的研究意义  22-23
第二章 实验方法与仪器  23-28
  2.1 原料试剂与实验设备  23-24
    2.1.1 原料与试剂  23
    2.1.2 实验设备  23-24
  2.2 材料分析及表征方法  24-25
    2.2.1 扫描电子显微镜  24
    2.2.2 傅立叶变换红外光谱  24-25
    2.2.3 原子力显微镜  25
  2.3 材料的电化学性能测试  25-26
    2.3.1 电极制备  25
    2.3.2 实验电池的组装  25-26
    2.3.3 恒电流充放电测试  26
    2.3.4 倍率性能测试  26
  2.4 安全性能测试  26-27
    2.4.1 短路滥用测试  26
    2.4.2 过充滥用测试  26-27
    2.4.3 针刺滥用测试  27
  2.5 循环伏安测试  27-28
第三章 预充条件对电池性能的影响  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 环境温度预充对锂离子电池性能的影响  28-36
    3.2.1 环境温度预充对电池预充过程性能的影响  28-31
    3.2.2 预充极片 SEM 表征  31-33
    3.2.3 一次分容电性能分析  33-35
    3.2.4 电池的循环性能  35-36
  3.3 本章小结  36-38
第四章 预充过程中产气及在不同电压下排气封口的研究  38-50
  4.1 电池产气量和产气趋势的研究  38-42
  4.2 不同电压下排气封口对电池性能的影响  42-46
    4.2.1 倍率放电性能  42-43
    4.2.2 高温荷电保持能力  43-45
    4.2.3 循环性能  45-46
  4.3 安全性能  46-48
    4.3.1 过充测试  46-47
    4.3.2 针刺测试  47-48
    4.3.3 短路测试  48
  4.4 本章小结  48-50
第五章 聚苯胺改性负极的研究  50-62
  5.1 引言  50-51
  5.2 电沉积制备 PANI/ITO 和 PANI/GRAPHITE 电极  51-52
    5.2.1 苯胺酸溶液的配置  51
    5.2.2 工作电极的制备  51-52
    5.2.3 电沉积聚苯胺  52
  5.3 聚苯胺沉积的循环伏安特图  52-54
    5.3.1 PANi/ITO 的循环伏安特图  52-53
    5.3.2 PANi/graphite 的循环伏安特图  53-54
  5.4 聚苯胺的表征  54-58
    5.4.1 聚苯胺的红外表征  54-56
    5.4.2 PANi/ITO 的原子力显微镜图  56-57
    5.4.3 聚苯胺的扫描电镜表征  57-58
  5.5 电极上沉积聚苯胺后电化学性能研究  58-60
  5.6 本章小结  60-62
第六章 结论  62-63
参考文献  63-70
攻读硕士期间论文和专利发表  70-71
致谢  71

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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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