鋰離子動(dòng)力電池的制作與性能研究.pdf

1、本文在綜合評(píng)述了鋰離子動(dòng)力電池的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池動(dòng)力電池的制作與性能，通過(guò)對(duì)鋰離子電池正極、負(fù)極和電解液等關(guān)鍵材料進(jìn)行表征和分析，研究和改進(jìn)錳酸鋰電池的電化學(xué)性能、儲(chǔ)存性能和安全性能及機(jī)理，研究了磷酸鐵鋰電池的制作和性能及作用機(jī)理。 系統(tǒng)地比較研究了幾種不同LiMn2O4、負(fù)極和電解液樣品的結(jié)構(gòu)與性能。最后選取了合適的LiMn2O4，石墨以及電解液作為錳酸鋰電池的關(guān)鍵材料。 電極容量比分

2、別為1.33、1.19和1.08的錳酸鋰電池中LiMn2O4放電比容量分別為101，105和107mAh/g。170次循環(huán)容量保持率分別為87.3，85.4和84.1％。在電池正極組分中添加2％的Li2CO3，MgO和LiF，LiMn2O4的放電比容量分別為106.1，107.2和107.5mAh/g。100次循環(huán)容量保持率分別為90.8、91.8和93％。LiF的含量為2％時(shí)效果最佳。當(dāng)正極極片面密度為2.5 g/dm2，導(dǎo)電劑含量為

3、3％時(shí)，20C放電容量為1C放電容量的94.1％。1C充5C放100次循環(huán)容量保持率為92％。配置EC: EMC: E=2:7:1，1mol/L LiPF6的低溫功能電解液，研究發(fā)現(xiàn)在-40℃下，以0.2和1C放電，分別放出常溫容量的81.1和63.4％。 錳酸鋰電池半荷電儲(chǔ)存一個(gè)月后容量恢復(fù)率為96.3％，100次循環(huán)容量保持率達(dá)到94.1％。通過(guò)XRD、SEM、TEM和XPS研究表明，儲(chǔ)存后MnO2、R-CO3Li、Li2C

4、O3、LiF和LixPFy等共同組成正極表面鈍化膜，LiMn2O4晶格發(fā)生氧缺陷現(xiàn)象。儲(chǔ)存前后LiMn2O4電極峰電流分別為0.55和0.36mA，電極和電解液界面的吸附雙電層阻抗分別為20.28和53.31Ω，。LiMn2O4的交換電流密度為0.69和1.01mA/cm2。負(fù)極SEI膜增厚并變致密，阻抗由183.1增大到310Ω。儲(chǔ)存后電解液中LiPF6發(fā)生了一定程度的分解，溶劑被氧化生成小分子物質(zhì)。 電極表面極化、正極材料中

5、Mn溶解以及氧缺陷、SEI膜增厚所消耗的活性鋰、電解液的分解和氧化是導(dǎo)致儲(chǔ)存后錳酸鋰電池儲(chǔ)存后容量衰減的主要原因。 高溫儲(chǔ)存研究發(fā)現(xiàn)錳酸鋰電池在第一天內(nèi)容量損失最大，此后每天損失的容量逐步減少。錳酸鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性的改善程度隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，正極表面鈍化膜不斷增厚，LiMn2O4晶格不斷發(fā)生收縮并變穩(wěn)定，顆粒/電解液界面積減小，電極氧化性減弱，從而導(dǎo)致容量衰減變慢。 放電態(tài)和滿(mǎn)電態(tài)下儲(chǔ)存錳酸

6、鋰電池容量恢復(fù)率分別為99.2％和93.50％。滿(mǎn)電態(tài)下儲(chǔ)存的錳酸鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性改善最大。荷電態(tài)對(duì)儲(chǔ)存后容量衰減的影響主要是由Mn溶解量的不同以及儲(chǔ)存后正極表面極化不同而引起的。隨著荷電態(tài)的增加，Mn4+可能先被還原成Mn3+，進(jìn)而發(fā)生歧化反應(yīng)生成Mn2+，從而導(dǎo)致容量衰減增大。正極表面鈍化膜將LiMn2O4材料與電解液分隔開(kāi)；LiMn2O4的晶格收縮，穩(wěn)定性增強(qiáng)；負(fù)極SEI不斷地增厚和變致密可能是儲(chǔ)存后錳酸鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性改善的原

7、因。 在錳酸鋰正極中添加LiF，半荷電儲(chǔ)存后電池的容量恢復(fù)率從96.3％提高到98％。研究表明LiF能夠有效地抑制Mn的溶解并且降低儲(chǔ)存后正極表面的阻抗。 錳酸鋰電池(347080-16Ah)在熱沖擊、穿刺、短路安全測(cè)試下未爆炸。3C/10V過(guò)充測(cè)試電池發(fā)生爆炸，電池表面最高溫度達(dá)到290℃。爆炸后粉末的主要成分為C、MnO和Li2CO3。當(dāng)電壓達(dá)到5.0V，正極材料表面出現(xiàn)了大量的裂縫。裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致過(guò)充后期電壓和溫度

8、急劇上升直至爆炸。采用Al2O3包覆的LiMn2O4制作錳酸鋰電池，經(jīng)過(guò)3C/10V過(guò)充后不爆炸、不起火。 研究比較了3種不同LiFePO4的結(jié)構(gòu)與性能。研究了碳納米管(CNT)對(duì)磷酸鐵鋰電池性能的影響。添加CNT后，1C/0，1C的放電比容量比值由原來(lái)的92.1提高到96.3％，0.1C的放電容量都為124mAh/g；磷酸鐵鋰電極的電荷反應(yīng)阻抗由173.1Ω減小為36.88Ω，極化減小，電池200次循環(huán)容量保持率由原來(lái)的93.