海藻酸钠抑制锂离子电池正极材料中阳离子混排的研究

发布时间：2018-06-01 03:32

  本文选题：海藻酸钠 + 锂离子电池　； 参考：《青岛大学》2017年博士论文

【摘要】：随着科学技术的发展、以及电子设备和仪器的小型化、现代军事设备和航天技术的快速发展,对电池性能提出了越来越高的要求。从综合性能的角度上看,锂离子二次电池是当今最具有发展潜力和应用前景的高性能电池。磷酸铁锂(LiFePO4)材料以其成本低、环境相容性好、比容量高、稳定性好等优点,成为一种极具应用潜力的锂离子蓄电池正极材料。然而,Fe-Li反位缺陷仍然是一个致命的问题,它限制着锂离子在LiFePO4晶体中的扩散速率,从而降低了LiFePO4的倍率性能。近年来,富Ni三元氧化物Li(NixCoyMnz)O2(x≥0.5)因其具有更高的比容量和较高的放电电压平台而成为锂电池正极材料领域内研究热点。然而Ni与Li的阳离子混排问题导致了该材料循环稳定性差,倍率性能低。所以需要设计一种切实有效的方法来解决锂离子电池正极材料晶体结构中的阳离子混排问题。本文主要利用海藻酸大分子中的特殊结构,发明了一种独特的抑制锂离子电池正极材料晶体结构中阳离子混排的办法。从完善正极材料的晶体结构和提高材料的锂离子扩散速率及其能量密度、功率密度的目标出发,主要讨论了正极材料Li(NixCoyMnz)O2和LiFePO4的合成、晶体结构优化以及影响锂离子电池充放电过程中的各种影响因素等问题。以海藻酸纤维为模板合成低阳离子混排的Li(NixCoyMnz)O2富Ni多层空心纤维材料。其中,海藻酸纤维中的四个α-L-古罗糖醛酸分子链与Ni、Co、Mn离子交联得到的蛋盒结构和β-L-甘露糖醛酸分子链与锂离子的吸附作用,可以有效控制阳离子混排,其中,Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2阳离子混排低至0.0485。同时,海藻酸纤维的碳骨架在空气下煅烧,转变成多层空心纤维结构。相比传统的富Ni三元正极材料,Li(NixCoyMnz)O2富Ni多层空心纤维表现出优异的电化学性能:当x=0.8,在20 mA g-1的电流密度下,首次放电比容量达到229.9 mAh g-1,100 mA g-1电流密度下循环300圈后,容量保持率在84.36%。在2 A g-1的高电流密度下,放电容量达到172.7 mAh g-1。该优异的性能归因于低的阳离子混排缺陷和多层空心纤维的导电网络,从而有效提高了锂离子电池性能。以海藻酸纤维为模板合成了低Fe-Li反位缺陷的LiFePO4/碳复合微米管(LFP/CMT)。其中,Fe-Li反位缺陷的百分比低至0.23%。通过对不同温度下LFP晶体的X射线衍射图谱进行精修发现,海藻酸纤维中的四个α-L-古罗糖醛酸分子链与三价铁离子交联得到的铁基蛋盒结构和β-L-甘露糖醛酸分子链与锂离子的吸附作用,可以有效控制晶体形成初期Fe的优先占位,随着碳化温度升高,蛋盒结构可以转变成金属/碳的核壳结构,可以进一步抑制Fe-Li反位。同时,海藻酸纤维的碳骨架在N2下碳化,转变成多孔碳微米管。相比传统的LFP/C材料,低Fe-Li反位缺陷的LFP/碳复合微米管表现出优异的电化学性能:在0.5 C的电流密度下,首次放电比容量达到164.6 mAh g-1,10 C电流密度下循环1000圈后,容量保持率在91%。在100C的高电流密度下,放电容量达到99.7 mAh g-1。该优异的性能归因于低的Fe-Li反位缺陷和一维多孔碳微管的导电网络,从而有效提高了锂离子电池性能。利用海藻酸钠合成了低Fe-Li反位缺陷的三维结构碳包覆Li FePO4纳米片/石墨烯气凝胶(C@LiFePO4/GA)。其中,LFP纳米片沿[010]面优先生长,这缩短了锂离子扩散的路径,同时C@LiFePO4/GA比表面积大,能够提高了电子传导和锂离子扩散速率,从而使样品获得了优异的倍率性能和循环性能。结果表明,C@Li FePO4/GA在0.5 C的电流密度下,首次放电比容量达到169.7 mAh g-1,10 C电流密度下循环2000圈后,容量保持率在99.55%。在100 C的高电流密度下,放电容量达到101.6 mAh g-1。与Li4Ti5O12组成全电池,获得了265 Wh kg-1和6.81 kW kg-1的能量密度和功率密度。该优异的性能归因于[010]面生长的纳米片结构和三维多孔石墨烯导电网络,从而有效提高了锂离子电池性能。
[Abstract]:In recent years , Li ( NixCoyMnz ) O2 ( x 鈮，

本文编号：1962691