發(fā)布時間：2017-08-10 12:06

  本文關(guān)鍵詞：提升磷酸鐵鋰電池高倍率性能的研究

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【摘要】：自從上世紀(jì)九十年代第一塊商品化產(chǎn)品上市,鋰離子電池以其能量密度高,壽命長,對環(huán)境友好等優(yōu)勢,被廣泛關(guān)注。鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展,使得筆記本電腦,手機(jī),相機(jī)等便攜式手持設(shè)備技術(shù)得到長足的發(fā)展,走進(jìn)千家萬戶,為人們的日常生活帶來便利。正極材料是影響鋰離子電池關(guān)鍵性能的核心材料,經(jīng)過研究者們努力開發(fā),目前常用的穩(wěn)定材料主要有鈷酸鋰(Li Co O2),錳酸鋰(Li Mn2O4),鎳鈷錳三元(Li(Ni Co Mn)O2),NCA和磷酸鐵鋰(Li Fe PO4)等。磷酸鐵鋰是一種具有橄欖石結(jié)構(gòu)的電池材料,它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,循環(huán)過程中形變小,壽命長,逐漸成為儲能電站和新能源電動汽車替代能源的首選。但是磷酸鐵鋰本征電導(dǎo)率低,離子擴(kuò)散系數(shù)小,使得其低溫性能,高倍率性能較差。尤其是大功率性能,在EV、HEV、智能電站“削峰填谷”等應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要,直接影響其大規(guī)模推廣應(yīng)用。本文擬使用成熟的電池制造工藝制備18650磷酸鐵鋰電池,通過正極、負(fù)極、集流體等關(guān)鍵材料的研究改良,提高電池的高倍率性能。首先,考察磷酸鐵鋰材料對電池高倍率性能的影響,分別考察了合成工藝,材料粒徑,含碳量等因素。通過SEM研究,不同工藝制備的磷酸鐵鋰具有完全不同的微觀形貌。使用相同的工藝制備18650電池,對電池的內(nèi)阻,大電流放電平臺,放電溫升等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比采集,發(fā)現(xiàn)合成工藝對倍率性能的影響并不存在可循的規(guī)律,對最終的倍率性能并不存在決定性的影響。選用了D50為0.667um,1.151um,1.998um,2.481um的材料對比,發(fā)現(xiàn)0.667粒徑的材料制備電池內(nèi)阻為9.7mΩ,且具有更高的放電平臺,具備更好的高倍率性能,因為較小的粒徑可以減小了鋰離子擴(kuò)散半徑,提升離子傳輸速率,直接提高倍率性能。值得注意的是,更小的粒徑,直接帶來加工工藝更加困難的弊端,在實際生產(chǎn)中,需要綜合考慮性能和易操作性。含碳量是磷酸鐵鋰一項重要的技術(shù)指標(biāo),目前主流的是在合成階段加入碳源進(jìn)行碳包覆。通過TEM測試可以發(fā)現(xiàn)材料最外層均勻包覆一層碳層。實驗室合成了四種不同含碳量的材料進(jìn)行測試對比,發(fā)現(xiàn)最高含碳量2.0%的材料制備的電池具有9.2mΩ的內(nèi)阻,2.91V的大倍率放電平臺電壓,25度的放電溫升,所有數(shù)據(jù)均為測試電池中最佳數(shù)據(jù),說明碳含量越高,倍率性能越好。其次,研究了電池其他關(guān)鍵材料對電池的性能影響。通過自制工裝夾具測試極片電阻,統(tǒng)計與之對應(yīng)的電池性能,發(fā)現(xiàn)極片電阻更低,最終制備的電池內(nèi)阻越低,高倍率性能越好。在不同厚度的鋁箔測試中,最厚的20um鋁箔制備的電池具有最高的2.61V的20A放電電壓平臺和最低的43度溫升,倍率性能最好。通過循環(huán)伏安法測試確認(rèn),在2.0V-4.2V鋰電池工作電壓區(qū)間內(nèi),導(dǎo)電涂層不存在副反應(yīng),不會對整個電池的電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。實驗表明:導(dǎo)電涂層的使用,能夠降低電池內(nèi)阻1-2mΩ,提高高倍率性能;改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性,平臺電壓循環(huán)3000次維持在3.15V左右,容量保持率90%;低溫放電容量保持率達(dá)到76%;顯著提高電池的綜合性能。通過正交實驗確認(rèn)最佳導(dǎo)電劑添加比例,實驗表明:添加片狀石墨1%,導(dǎo)電炭黑2%,ECP,VGCF,CNTs等大表面積,高導(dǎo)電性材料1-2%,電池具有最佳的綜合性能,SEM照片顯示,此時的電極分散良好,活性材料間隙均勻分布導(dǎo)電材料,構(gòu)筑了較為完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。最后,研究了負(fù)極工藝對電池性能的影響。使用有機(jī)系負(fù)極新工藝,極片在95±5℃環(huán)境中烘烤16h,水分含量基本達(dá)到穩(wěn)定,保持在180ppm左右。電池低溫放電容量保持率為73.92%,20A放電容量保持率為92.63%,平臺電壓為2.82V,均顯著優(yōu)于水系負(fù)極,表明有機(jī)系負(fù)極工藝能夠顯著改善電池性能。
【關(guān)鍵詞】：磷酸鐵鋰 導(dǎo)電涂層 高倍率性能
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 鋰離子電池概述13-14
• 1.3 磷酸鐵鋰概況14-20
• 1.3.1 磷酸鐵鋰發(fā)展歷程14-15
• 1.3.2 磷酸鐵鋰的結(jié)構(gòu)15-17
• 1.3.3 磷酸鐵鋰的合成方法17
• 1.3.4 磷酸鐵鋰相變模型17-20
• 1.3.4.1 輻射狀鋰離子遷移模型17-18
• 1.3.4.2 馬賽克鋰離子遷移模型18-19
• 1.3.4.3 多米諾骨牌鋰離子遷移模型19-20
• 1.4 磷酸鐵鋰主要應(yīng)用領(lǐng)域20-24
• 1.4.1 電動汽車20-22
• 1.4.1.1 發(fā)展概述20
• 1.4.1.2 發(fā)達(dá)國家電動汽車發(fā)展20-21
• 1.4.1.3 中國電動汽車發(fā)展21-22
• 1.4.2 儲能22-24
• 1.4.2.1 儲能技術(shù)的分類22-23
• 1.4.2.2 美國儲能發(fā)展23
• 1.4.2.3 日本儲能發(fā)展23
• 1.4.2.4 中國儲能發(fā)展23-24
• 1.5 本論文的研究目的及內(nèi)容24-25
• 1.5.1 本論文的研究目的24
• 1.5.2 本論文的研究內(nèi)容24-25
• 第二章 實驗設(shè)備及實驗方法25-32
• 2.1 實驗儀器及設(shè)備25
• 2.2 實驗試劑25-27
• 2.2.1 磷酸鐵鋰25-26
• 2.2.2 電池制備主要原材料26-27
• 2.3 18650圓柱磷酸鐵鋰電池制備27-28
• 2.4 測試方法28-32
• 2.4.1 SEM測試28-29
• 2.4.2 材料粒度分析測試29
• 2.4.3 循環(huán)伏安測試29
• 2.4.4 圓柱電池性能測試29-31
• 2.4.5 導(dǎo)電涂層鋁箔性能測試31-32
• 第三章 磷酸鐵鋰材料對電池高倍率性能影響32-44
• 3.1 引言32-33
• 3.2 磷酸鐵鋰工藝路線對電池的高倍率性能影響33-38
• 3.2.1 磷酸鐵鋰微觀形貌33-35
• 3.2.2 倍率性能測試35-38
• 3.3 磷酸鐵鋰參數(shù)與倍率性能的影響38-43
• 3.3.1 磷酸鐵鋰粒徑對電池性能的影響38-41
• 3.3.2 磷酸鐵鋰含碳量對大倍率性能的影響41-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 電池工藝對電池高倍率性能影響44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 極片電阻和電池倍率性能的關(guān)系44-45
• 4.3 不同集流體與電池倍率性能的關(guān)系45-51
• 4.3.1 不同厚度鋁箔對電池倍率性能影響45-46
• 4.3.2 導(dǎo)電涂層鋁箔電化學(xué)穩(wěn)定性研究46-51
• 4.4 導(dǎo)電劑對電池的性能影響51-53
• 4.4.1 導(dǎo)電劑概述51
• 4.4.2 導(dǎo)電劑對電池性能影響51-53
• 4.5 負(fù)極工藝對電池性能的影響53-55
• 4.5.1 負(fù)極工藝對極片水分含量影響53-54
• 4.5.2 負(fù)極工藝對電池性能影響54-55
• 4.6 本章小結(jié)55-57
• 第五章 總結(jié)和展望57-59
• 5.1 總結(jié)57
• 5.2 展望57-59
• 參考文獻(xiàn)59-64
• 致謝64-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文65

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：650611