【摘要】：隨著人類社會的進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展,不可再生資源逐漸枯竭,具有能量密度高、循環(huán)壽命長、價格低廉、安全、無污染等優(yōu)點的新型鋰離子電池成為人們眼中的新寵。目前,鋰離子電池負(fù)極材料以石墨化碳材料為主,它具有良好的層狀結(jié)構(gòu),有利于鋰離子的嵌入和脫出。但石墨化碳負(fù)極材料最大的不足是理論容量不高(372 mAh·g-1),目前實際應(yīng)用的已經(jīng)接近于理論極限,但是仍不能滿足人們對鋰離子電池比能量的高需求。錫負(fù)極材料具有較高的理論比容量(994mAh·g-1),是石墨化碳負(fù)極材料的2.5倍多,且金屬錫價格便宜,資源豐富。但是作為負(fù)極材料在使用過程中,由于鋰離子的嵌入和脫出會產(chǎn)生非常大的體積變形(~300%),這直接造成了鋰離子電池電化學(xué)性能的衰退,嚴(yán)重制約了錫負(fù)極材料在鋰離子電池應(yīng)用。為了更有效地利用錫負(fù)極材料,需要對其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。本論文主要開展了金屬錫負(fù)極材料的電沉積法制備、電化學(xué)性能以及力學(xué)性能表征。本實驗中用到X射線衍射儀、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電化學(xué)工作站、納米壓痕儀等設(shè)備,對制備材料的化學(xué)成分、表面形貌、電化學(xué)性能以及力學(xué)性能等進(jìn)行測試和分析。本論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)通過Π定理進(jìn)行納米壓痕問題中的量綱分析,獲得金屬材料基本力學(xué)性能與壓痕測試中的相關(guān)參量間的無量綱函數(shù)關(guān)系,為利用數(shù)值方法建立兩者之間的具體無量綱函數(shù)關(guān)系式提供理論指導(dǎo)。(2)以0.4 mm銅帶為基底,運(yùn)用電沉積法制備鋰離子電池金屬錫薄膜負(fù)極材料。裝配測試電池,分析金屬錫負(fù)極材料的電化學(xué)性能。金屬錫負(fù)極材料首次放電比容量和充電比容量分別高達(dá)755 mAh·g-1和697 mAh·g-1,且具有非常好的充放電電壓平臺。但是鋰離子電池恒流充放電過程中,實際比容量衰減非常快,在第10個循環(huán)的時候,放電比容量已經(jīng)接近于零,具有非常差的循環(huán)性能。為了研究金屬錫負(fù)極材料的破壞機(jī)理,實驗中定量的獲得了不同鋰化狀態(tài)下的金屬錫負(fù)極材料。(3)通過納米壓痕儀對不同鋰化狀態(tài)下的金屬錫薄膜負(fù)極材料進(jìn)行壓痕測試。運(yùn)用Matlab軟件計算出材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化指數(shù),繪制應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。得到首次嵌鋰狀態(tài)下材料的的彈性模量為60.3 GPa、屈服強(qiáng)度為32.6 MPa、應(yīng)變硬化指數(shù)為0.3,同時繪制這些參數(shù)和SOC的關(guān)系曲線。通過數(shù)據(jù)分析,定量的解釋了鋰離子電池錫負(fù)極材料循環(huán)性能差的原因,為金屬錫在鋰離子電池上的設(shè)計和運(yùn)用提供理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:With the progress of human society and the continuous development of science and technology, non-renewable resources gradually exhausted, with the advantages of high energy density, long cycle life, low price, safety, no pollution and so on, the new lithium ion battery has become a new pet in people's eyes. At present, the cathode material of lithium ion battery is mainly graphitic carbon material, which has a good layered structure, which is beneficial to the intercalation and removal of lithium ion. However, the biggest deficiency of graphitized carbon anode materials is that the theoretical capacity is not high (372 mAh g ~ (-1), and the practical application is close to the theoretical limit, but it still can not meet the high demand for the specific energy of lithium ion batteries. Tin anode material has high theoretical specific capacity (994mAh g-1), which is more than 2.5 times of graphitized carbon anode material, and tin is cheap and rich in resources. However, as anode materials, the intercalation and removal of lithium ions will result in very large volume deformation (300%), which directly results in the degradation of electrochemical performance of lithium ion batteries, which seriously restricts the application of tin anode materials in lithium ion batteries. In order to make more effective use of tin anode materials, it is necessary to study its failure mechanism. In this paper, the electrodeposition, electrochemical and mechanical properties of tin anode materials were studied. In this experiment, X-ray diffractometer, atomic force microscope, scanning electron microscope, electrochemical workstation, nano-indentation instrument were used to analyze the chemical composition and surface morphology of the prepared materials. Electrochemical and mechanical properties were tested and analyzed. The main contents of this thesis are as follows: (1) the dimensionless function relationship between the basic mechanical properties of metal materials and the related parameters in indentation testing is obtained by dimensionless analysis of nano-indentation problem based on 蟺 theorem. In order to establish the dimensionless functional relationship between the two by numerical method, theoretical guidance is provided. (2) on the basis of 0.4 mm copper strip, the metal tin thin film anode material of lithium ion battery is prepared by electrodeposition method. Assemble and test the battery and analyze the electrochemical performance of the metal tin anode material. The initial discharge capacity and charge specific capacity of the metal tin anode material are as high as 755 mAh g -1 and 697 mAh g -1, respectively, and have a very good charge-discharge voltage platform. However, during the constant current charging and discharging of Li-ion batteries, the actual specific capacity decay is very fast. At the 10th cycle, the discharge specific capacity is close to zero, and has a very poor cycle performance. In order to study the failure mechanism of metal tin anode materials, the metal tin anode materials in different lithium state were quantitatively obtained in the experiment. (3) the indentation of metal tin film negative electrode materials in different lithium state was tested by nano-indentation instrument. The elastic modulus, yield strength, strain hardening index and stress-strain relationship of the material were calculated by Matlab software. The elastic modulus of the first lithium intercalated material is 60.3 GPa, the yield strength is 32.6 MPa, strain hardening exponent, and the relationship curve between these parameters and SOC is drawn. Through the data analysis, the reason for the poor cycling performance of lithium ion battery tin anode material is quantitatively explained, which provides a theoretical basis for the design and application of metal tin in lithium ion battery.
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912

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本文編號：2256570