【摘要】：鋰離子二次電池作為一種綠色高效的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是目前能源領(lǐng)域研究的重點,鈷酸鋰(LiCoO_2)和磷酸鐵鋰(LiFePO_4)是具有很高應(yīng)用價值的鋰電池正極材料,其中LiCoO_2憑借其較高的充放電容量和優(yōu)異的低溫性能在商用鋰電池中得到廣泛應(yīng)用,而LiFePO_4憑借其熱性能和化學(xué)性能穩(wěn)定、綠色安全等優(yōu)點成為一種發(fā)展迅猛的商用鋰電池正極材料。根據(jù)目前鋰電池的制備工藝,正極活性材料與集流極金屬之間的連接方式為粘接,這會導(dǎo)致連接界面處存在較大的接觸電阻,降低鋰電池的性能。針對這一問題本課題提出通過原位生長的方式在金屬基板表面直接生長LiCoO_2和LiFePO_4正極材料,實現(xiàn)正極材料與金屬基板之間的原子鍵合,進而提高鋰電池的性能。利用熔鹽法在Pt基體表面生長LiCoO_2晶體層并對連接界面進行表征。通過在不同基體表面的生長試驗,確定Pt為最佳基體材料選擇。利用熔鹽法制備出的LiCoO_2晶體層為納米尺度的盤狀結(jié)構(gòu),厚度在2μm左右,隨后探究保溫溫度、保溫時間、退火溫度等工藝參數(shù)對LiCoO_2晶體層生長的影響,通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析、X射線衍射(XRD)分析、透射電子顯微鏡(TEM)分析、能譜(EDS)分析等手段,確定500℃下保溫3h為最佳制備工藝以及700℃下保溫1h為最佳退火工藝。利用聚焦離子束(FIB)制樣以及TEM和超級能譜分析,確定LiCoO_2晶體層是直接生長在Pt基板上的,通過原位生長的工藝方法實現(xiàn)了兩種材料之間的無縫連接。對LiCoO_2盤狀晶體生長取向的分析表明晶體的側(cè)面主要由平行于a軸的晶面組成,晶體的上下表面主要由平行于b軸的晶面組成,LiCoO_2晶體的這種生長方式對于Li+的迅速嵌脫是很有利的。同時利用熔鹽法成功制備出納米棒狀LiCoO_2晶體,以探究不同形貌結(jié)構(gòu)對LiCoO_2正極材料電化學(xué)性能的影響。利用熔鹽法在SUS316不銹鋼基體表面生長LiFePO_4晶體層并對連接界面進行表征。在基體表面生長出的LiFePO_4晶體為多面體塊狀結(jié)構(gòu),晶體長度方向的尺寸為700nm左右,晶體層的厚度為8μm左右。隨后探究了保溫溫度、保溫時間以及溶質(zhì)濃度等工藝參數(shù)對LiFePO_4晶體生長的影響,通過多種分析測試方法確定了50mol%濃度下800℃保溫0h為最佳制備工藝。膠帶剝離試驗和SEM觀測認為在不銹鋼基體表面直接生長出了LiFePO_4晶體層,實現(xiàn)了兩種材料之間的無縫連接。通過面角分析和XRD分析確定LiFePO_4晶體的表面主要由{100}、{110}和{201}晶面族組成,晶體的生長具有特定的取向。同時利用熔鹽法制備出球形LiFePO_4晶體,以探究不同的形貌結(jié)構(gòu)對LiFePO_4正極材料電化學(xué)性能的影響。對LiCoO_2和LiFePO_4正極材料的電化學(xué)性能進行表征。分別以盤狀LiCoO_2粉末和極片、納米棒狀LiCoO_2粉末、塊狀LiFePO_4粉末和極片、球狀LiFePO_4粉末作為正極組裝鋰離子半電池。對比分析原位生長的無添加劑LiCoO_2正極和傳統(tǒng)工藝制得的LiCoO_2粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)無添加劑正極具有更高的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,這主要是因為在連接界面處實現(xiàn)了可靠連接,增加了界面處的導(dǎo)電性以及多次循環(huán)的穩(wěn)定性。對比分析盤狀LiCoO_2粉末正極和納米棒狀LiCoO_2粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)納米棒狀材料具有更優(yōu)越的倍率性能和更高的實際比容量,這主要是因為納米棒狀LiCoO_2晶體是由尺寸更小的納米顆粒組成的,使得材料具有更大的比表面積。原位生長的無添加劑LiFePO_4正極無法進行充放電循環(huán)。對比分析塊狀LiFePO_4粉末正極和球狀LiFePO_4粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)兩種材料均存在一定的極化現(xiàn)象,球狀LiFePO_4粉末正極在各倍率下的實際比容量比較穩(wěn)定,其循環(huán)穩(wěn)定性要優(yōu)于塊狀LiFePO_4粉末正極。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912
【圖文】：

人類的生存和發(fā)展離不開能源，特別是在當今社會，隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和對綠色新能源的追尋，能源研究已成為科學(xué)研究領(lǐng)域的三大熱點之一。目前能源研究主要包括新類型能源的開發(fā)和新能源利用方式的開發(fā)兩大方面，特別是能源利用方式的研究，最近幾年得到了迅猛發(fā)展，光熱電站、電動汽車、柔性電池等已不再僅僅是科學(xué)研究的實驗品，它們已經(jīng)逐步商業(yè)化，成為促進社會經(jīng)濟發(fā)展的新動力，產(chǎn)品如圖 1-1 所示。

使得電池負極鋰增加。電子則通過外電路傳輸?shù)截摌O，保；放電時電池負極脫出 Li+，通過電解液嵌入正極材料中使由外電路傳輸?shù)秸龢O與 Li+復(fù)合。鋰離子二次電池的正負極些活性物質(zhì)一般為層狀或者隧道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于 電極材料在充放電循環(huán)的過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，[2]，鋰離子二次電池充放電反應(yīng)原理如圖 1-2 所示

LiCoO2的結(jié)構(gòu)單元示意圖

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李淵;李紹敏;陳亮;劉恒;;鋰電池正極材料磷酸鐵鋰的研究現(xiàn)狀與展望[J];電源技術(shù);2010年09期

2 魏曉;韓高榮;;鋰離子電池正極材料研究進展以及水熱法制備LiCoO_2超細粉體[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報;2006年01期

3 齊力,林云青,景遐斌,王佛松;草酸沉淀法合成LiCoO_2正極材料[J];功能材料;1998年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉思思;二次鋰電池鋰基負極與電解質(zhì)界面研究[D];上海交通大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 高田田;鈷酸鋰正極中添加磷酸鐵鋰改善電池過放性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 楊賽;水熱法制備鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰[D];天津大學(xué);2013年

3 方金宇;邛崍高嶺土熔鹽法制備莫來石晶須兼對其分散性的研究[D];成都理工大學(xué);2012年

4 唐瑛材;磷酸鐵鋰的碳包覆工藝及其電化學(xué)性能的研究[D];電子科技大學(xué);2012年

5 羅傳喜;新型沉淀法制備高性能磷酸鐵鋰正極材料研究[D];華南理工大學(xué);2011年

6 王向慧;鋰離子電池正極材料LiFePO_4的制備及性能改良[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

本文編號：2777414