基于高定向结构的锂电池材料的可控构筑与性能研究
发布时间：2020-12-14 18:33
理想的电化学储能系统应该具有低成本、长寿命、高容量、高功率密度、优异的电化学可逆性和低污染等特性,其在可持续能源发展中发挥着关键作用。在众多特性中,高功率关系到电能的释放速度,对于储能设备的运行至关重要。降低电池材料中微观组分排布方式的曲折度可以令离子更容易地迁移并进入电极,更高效的离子扩散和离子传导能够提高电化学设备的倍率性能,这是科学界近年针对改善电化学储能器件整体性能而提出的新兴研究方向。本文基于电池动力学和曲折度对电化学储能器件性能影响的理论基础,以改善Li+在电极材料与电解质材料内部的传输为途径,以提升锂电池系统电化学性能为目标,以锂离子电池正极材料、固态电解质材料和锂硫电池正极材料为研究对象,进行高定向结构设计。针对锂离子电池系统制备高定向、高能量密度LiCoO2正极和高定向结构LAGP/PEO复合固态电解质,并将高定向结构设计思想扩展到锂硫电池系统的硫碳复合正极,制备高定向石墨烯正极载体。对以上三种典型的锂电池材料进行综合表征,研究高定向结构设计对电池电化学性能的提升机制,推进有关电化学储能材料结构设计与性能提升的研究,为高倍率...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电化学器件中的动力学过程
第1章绪论-5-=×ετ（1-6）曲折度是经过孔隙率修正后的与的比值。当传导路径由具备均匀横截面的，竖直的，并且平行于传输方向的通道组成时，方程（1-6）中的曲折度=1，如图1-2（a）所示。对于曲折度>1的离子传导路径来说，如图1-2（b）和图1-2（c）所示，传导相的有效传输性能会低于其理论传输性能，而三维结构上分层的传导网络会使材料结构与曲折度间的关系更复杂[10]。在多孔电极材料中，材料颗粒的本征性质和粒径分布都会对曲折度的值产生影响，在此引用布莱德曼关系式（Bruggemanrelationship）作为表征和预测曲折度的简单模型：=（1-7）式中——布莱德曼指数（Bruggemanexponent）。图1-2不同结构的多孔介质及其材料内部的曲折度（a）球形颗粒竖直排列（b）球形颗粒随机分布（c）各向异性颗粒随机分布（d）基于Bruggeman模型的曲折度与孔隙率关系图（e）不同复合材料电极的曲折度[11]Figure1-2Differentconfigurationsofporousmediaandtortuosityinside(a)–(c)Threecases:(a)verticallyalignedparticles(τ=1),(b)randomlydistributedparticles(τ=ε-0.5),and(c)randomlyanisotropicparticles(τ>ε-0.5)(d)TherelationbetweentortuosityandporositybasedontheBruggemanmodel(α=0.5)(e)Measuredtortuosityofcompositeelectrodes[11]
第1章绪论-7-电层电容和表面氧化还原反应，我们称前者为双电层电容器，后者为赝电容[19]。在电极活性材料及固态电解质中构建沿离子传导方向的高定向结构是增强电化学储能设备的功率密度和能量密度的有效手段。但是电极材料具有塌陷和形成热力学更稳定的随机分布结构或扁平结构的趋势，使得高定向结构在搭建过程中具备很大难度。在过去的十年中，研究者们已经探索了各种方法来实现低曲折度高定向结构，包括但不限于直接生长，磁化定向，模板法，相转化和微电子工艺等方法。在以下部分中，本文将讨论这些方法及其制备过程、取得的成就、优势和挑战。1.3.1直接生长法与具有高曲折度的传统电极相比，纳米线、纳米纤维和纳米管由于其本身自有的一维结构而引起了研究者们对低曲折度电极材料的广泛关注。只要它们沿粒子传输的方向高定向排列，就可以直接形成距离最短的离子或电子传输通道。此外，一维材料的高比表面积还可以加速电化学反应中的其他动力学过程[20]，且其低维度的特性令电化学器件在体积膨胀和收缩期间的应变大大减小[21,22]。这些非凡的优势使得基于高定向结构的纳米线或纳米管的电极在各种电化学储能设备中极具吸引力，包括锂离子电池，锂硫电池，超级电容器和其他用于储能的化学元器件[23,24]。图1-3CVD直接生长法制备高定向碳纳米管双电层电容器电极[25]Figure1-3HighorientedCNTSelectrodeofdoublelayercapacitorpreparedbyCVDdirectgrowthmethod[25]可以通过化学气相沉积（CVD）工艺直接制备高度竖直取向的碳纳米管，因为碳纳米管可以提高双电层电容器的功率密度，其高导电的石墨烯片管壁使其本身具备了优异的导电性，碳纳米管易于接收离子，同时具有较大的比表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率锂动力电池的安全技术探讨[J]. 王景辉. 世界有色金属. 2019(21)
[2]能源革命中的电化学储能技术[J]. 李先锋,张洪章,郑琼,阎景旺,郭玉国,胡勇胜. 中国科学院院刊. 2019(04)
[3]锂离子电池现状及研究趋势[J]. 孟凡英. 科学技术创新. 2019(05)
[4]高比能量锂离子电池正极材料的研究进展[J]. 熊凡,张卫新,杨则恒,陈飞,王同振,陈章贤. 储能科学与技术. 2018(04)
[5]锂离子电池三元正极材料电解液添加剂的研究进展[J]. 邓邦为,孙大明,万琦,王昊,陈滔,李璇,瞿美臻,彭工厂. 化学学报. 2018(04)
[6]锂离子扣式电池的组装,充放电测量和数据分析[J]. 王其钰,褚赓,张杰男,王怡,周格,聂凯会,郑杰允,禹习谦,李泓. 储能科学与技术. 2018(02)
[7]储能发展现状与趋势分析[J]. 刘英军,刘畅,王伟,胡珊,郝木凯,徐玉杰,刘嘉,吴艳. 中外能源. 2017(04)
[8]全固态锂离子电池关键材料研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,钟海,刘兴江. 储能科学与技术. 2016(05)
[9]锂离子电池发展现状及其前景分析[J]. 闫金定. 航空学报. 2014(10)
[10]锂离子电池基础科学问题(X)——全固态锂离子电池[J]. 张舒,王少飞,凌仕刚,高健,吴娇杨,肖睿娟,李泓,陈立泉. 储能科学与技术. 2014(04)
博士论文
[1]锂离子电池电化学性能测试系统及其应用研究[D]. 蔡勇.湖南大学 2015
硕士论文
[1]锂电池硅负极材料电压迟滞行为的数值模拟[D]. 张森宇.太原理工大学 2018
本文编号：2916826
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电化学器件中的动力学过程
第1章绪论-5-=×ετ（1-6）曲折度是经过孔隙率修正后的与的比值。当传导路径由具备均匀横截面的，竖直的，并且平行于传输方向的通道组成时，方程（1-6）中的曲折度=1，如图1-2（a）所示。对于曲折度>1的离子传导路径来说，如图1-2（b）和图1-2（c）所示，传导相的有效传输性能会低于其理论传输性能，而三维结构上分层的传导网络会使材料结构与曲折度间的关系更复杂[10]。在多孔电极材料中，材料颗粒的本征性质和粒径分布都会对曲折度的值产生影响，在此引用布莱德曼关系式（Bruggemanrelationship）作为表征和预测曲折度的简单模型：=（1-7）式中——布莱德曼指数（Bruggemanexponent）。图1-2不同结构的多孔介质及其材料内部的曲折度（a）球形颗粒竖直排列（b）球形颗粒随机分布（c）各向异性颗粒随机分布（d）基于Bruggeman模型的曲折度与孔隙率关系图（e）不同复合材料电极的曲折度[11]Figure1-2Differentconfigurationsofporousmediaandtortuosityinside(a)–(c)Threecases:(a)verticallyalignedparticles(τ=1),(b)randomlydistributedparticles(τ=ε-0.5),and(c)randomlyanisotropicparticles(τ>ε-0.5)(d)TherelationbetweentortuosityandporositybasedontheBruggemanmodel(α=0.5)(e)Measuredtortuosityofcompositeelectrodes[11]
第1章绪论-7-电层电容和表面氧化还原反应，我们称前者为双电层电容器，后者为赝电容[19]。在电极活性材料及固态电解质中构建沿离子传导方向的高定向结构是增强电化学储能设备的功率密度和能量密度的有效手段。但是电极材料具有塌陷和形成热力学更稳定的随机分布结构或扁平结构的趋势，使得高定向结构在搭建过程中具备很大难度。在过去的十年中，研究者们已经探索了各种方法来实现低曲折度高定向结构，包括但不限于直接生长，磁化定向，模板法，相转化和微电子工艺等方法。在以下部分中，本文将讨论这些方法及其制备过程、取得的成就、优势和挑战。1.3.1直接生长法与具有高曲折度的传统电极相比，纳米线、纳米纤维和纳米管由于其本身自有的一维结构而引起了研究者们对低曲折度电极材料的广泛关注。只要它们沿粒子传输的方向高定向排列，就可以直接形成距离最短的离子或电子传输通道。此外，一维材料的高比表面积还可以加速电化学反应中的其他动力学过程[20]，且其低维度的特性令电化学器件在体积膨胀和收缩期间的应变大大减小[21,22]。这些非凡的优势使得基于高定向结构的纳米线或纳米管的电极在各种电化学储能设备中极具吸引力，包括锂离子电池，锂硫电池，超级电容器和其他用于储能的化学元器件[23,24]。图1-3CVD直接生长法制备高定向碳纳米管双电层电容器电极[25]Figure1-3HighorientedCNTSelectrodeofdoublelayercapacitorpreparedbyCVDdirectgrowthmethod[25]可以通过化学气相沉积（CVD）工艺直接制备高度竖直取向的碳纳米管，因为碳纳米管可以提高双电层电容器的功率密度，其高导电的石墨烯片管壁使其本身具备了优异的导电性，碳纳米管易于接收离子，同时具有较大的比表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率锂动力电池的安全技术探讨[J]. 王景辉. 世界有色金属. 2019(21)
[2]能源革命中的电化学储能技术[J]. 李先锋,张洪章,郑琼,阎景旺,郭玉国,胡勇胜. 中国科学院院刊. 2019(04)
[3]锂离子电池现状及研究趋势[J]. 孟凡英. 科学技术创新. 2019(05)
[4]高比能量锂离子电池正极材料的研究进展[J]. 熊凡,张卫新,杨则恒,陈飞,王同振,陈章贤. 储能科学与技术. 2018(04)
[5]锂离子电池三元正极材料电解液添加剂的研究进展[J]. 邓邦为,孙大明,万琦,王昊,陈滔,李璇,瞿美臻,彭工厂. 化学学报. 2018(04)
[6]锂离子扣式电池的组装,充放电测量和数据分析[J]. 王其钰,褚赓,张杰男,王怡,周格,聂凯会,郑杰允,禹习谦,李泓. 储能科学与技术. 2018(02)
[7]储能发展现状与趋势分析[J]. 刘英军,刘畅,王伟,胡珊,郝木凯,徐玉杰,刘嘉,吴艳. 中外能源. 2017(04)
[8]全固态锂离子电池关键材料研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,钟海,刘兴江. 储能科学与技术. 2016(05)
[9]锂离子电池发展现状及其前景分析[J]. 闫金定. 航空学报. 2014(10)
[10]锂离子电池基础科学问题(X)——全固态锂离子电池[J]. 张舒,王少飞,凌仕刚,高健,吴娇杨,肖睿娟,李泓,陈立泉. 储能科学与技术. 2014(04)
博士论文
[1]锂离子电池电化学性能测试系统及其应用研究[D]. 蔡勇.湖南大学 2015
硕士论文
[1]锂电池硅负极材料电压迟滞行为的数值模拟[D]. 张森宇.太原理工大学 2018
本文编号：2916826
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