碳包覆磷酸铁锂柔性电极的制备及性能研究

发布时间：2020-11-07 15:15

　　 随着科学技术的发展和人类对高新技术产品需求的不断攀升,便携式电子设备正在朝着轻量化、小型化、柔性化的方向发展,这就需要相应的储能设备也同时具备这些特点。因此研究柔性锂离子电池特别是柔性电极是极为重要的。本文以正极材料磷酸铁锂为研究对象,通过碳包覆改性处理提升其电化学性能,并将包覆后的磷酸铁锂用作正极活性材料,制备无集流体的自支撑柔性电极,采用XRD、SEM等手段对其进行物相和形貌表征,通过恒流充放电测试和交流阻抗测试表征其电化学性能。通过实验成功地实现了碳层在磷酸铁锂颗粒表面的包覆和柔性电极的制备,并且电化学性能也得到了提升,为柔性电极的商业化应用提供了参考。具体内容如下:1、以硫酸亚铁(七水)、磷酸、氢氧化锂(一水)为原料,采用溶胶-凝胶法合成了纳米级磷酸铁锂,SEM结果显示,其晶体颗粒表现出了良好的一致性,但其电化学性能相对较差,在0.1C时的放电比容量为102mAh/g,10C时仅有30mAh/g。2、以葡萄糖为碳源,配制成溶液,通过将烧结后的样品浸泡后二次烧结和水洗后样品浸泡后离心再烧结(一次烧结)两种不同的过程对磷酸铁锂进行了碳包覆改性处理,两种方法的烧结温度均为600~oC,时间均为3小时,在氩气和氢气的混合气氛下进行。这两种方法都有效的提高了大倍率下的放电比容量。当葡萄糖溶液的浓度为75%,体积为80ml时,一次烧结得到的LFP/C-75%-80样品表现出了最佳的电化学性能,其在0.2C时的比容量为154 mAh/g,10C时仍可保持在130 mAh/g。3、以蓝宝石为基底,采用简单的涂覆方法,得到了具有良好的柔性和机械性能的LiFePO_4/C薄膜,该柔性薄膜在0.65%的应变下,能承受0.71Mpa的拉伸强度,并且在500次循环充放电后,该薄膜表面仍具有较高的完整性。其电化学测试结果也表明,该柔性薄膜具有良好的倍率性能和稳定的长循环性能,10C循环500次后,比容量几乎没有出现衰减。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ131.11;TM912
【部分图文】：

相比于最早的锂电池，锂离子电池具有自放电小、可重复充放电、安全性能高、使用寿命长等特点。而 1991 年，首个用于商业的锂离子电池由日本的索尼公司发布，该项成果使得更多的人把目光转向了这个领域[12]。1.2.2 锂离子电池的工作原理锂离子电池一般由正、负极、隔膜、电解液、电池壳等组成[13]，它主要依靠可以在正、负极之间自由穿梭的锂离子的移动来工作，其工作原理如同 1.2.1 所示。充电时，在外加电压的作用下，Li+从正极材料脱嵌，经过可以使 Li+自由透过的隔膜，嵌入到负极材料中，负极材料嵌入的锂离子越多，其充电比容量也越高；而在放电时，Li+会从负极材料脱插，重新嵌入正极材料中，相应地，此时嵌入正极的锂离子越多，其放电比容量也越高[14]。因此，锂离子电池充放电的本质就是锂离子在正负极材料之间的往返迁移过程，该过程是一个可逆的电化学反应过程，可使材料的晶体结构保持较高的完整性。因该过程像一个“摇椅”，因此锂离子电池又被形象地称为“摇椅电池”[15]。

便引起了人们的广泛研究。磷酸铁锂[17-21]（LiFePO4）因其具量（170mAh/g）、稳定的充放电平台（3.4V 左右）、较长的循环）、安全、无毒、无污染、原料廉价易得等优点，成为最具正极材料之一，目前，不仅应用于手机、电脑等小型电子设合动力汽车等大型交通设备上也取得了较为广泛的应用。酸铁锂的晶体结构及特点PO4为典型的正交橄榄石型结构，Pnma 空间群[22]，其晶m，b=1.0334nm，c=0.4693nm[23]。整个晶体结构是由 PO4四面体互相连接组成的，如图 1.3.1 所示。其充放电反应如下：4 1- x4LiFePO Fe PO xLi xe 充电脱锂放电嵌锂看出，在该过程中，有 LiFePO4和 FePO4两相参与反应。在充电6层中迁移出来，嵌入负极，形成新的 FePO4相；放电过程则回正极，形成 LiFePO4相[24,25]。两相的转变不会使磷酸铁锂形，因此，其具有更长的循环寿命。

第 1 章 绪论最常见的，它又可划分为纸状结构、海绵/多孔结构和织物结构。状结构具有高表面积、轻而薄、可以实现大规模制备的特点，无论还是依靠柔性基底成膜，都有广泛的报道。Cao 等[49]采用压力可控制备出了自支撑的钛酸锂（Li4Ti5O12）/碳纳米管/纤维素纳米纤维（T/CNF）柔性纸电极。该过程是将含有 LTO、CNT 和 CNF 的电极机，在可控的压力 1.0Mpa 下通过 PC 膜过滤，然后再将含有 CNT悬浮液在之前得到的薄膜上过滤，干燥后即可得到该柔性薄膜，并达 15.0Scm-1。Leijonmarck 等[50]则使用 CNF 作为电极粘结材料和将含有电池电极材料组分的水分散系按顺序抽滤来得到纸柔性电极厚度只有 250μm，其横截面的 SEM 图像如图 1.4.1 所示。K商业化的纸巾作为碳纸，通过两步渗透-碳热还原技术得到了 纸杂化电极，该电极在电流密度为 0.1 mA cm-2时的首次可逆面容-2，并且在该电流密度下循环 500 次后，其面容量增大至 222μA
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本文编号：2874118