磷酸铁锂电极界面反应机制研究

发布时间：2017-06-15 15:11

  本文关键词：磷酸铁锂电极界面反应机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池的电极界面反应过程对电池的充放电容量、循环特性及倍率性能等具有重要影响。因此研究锂离子电池的电极界面反应过程对阐明其容量衰减机理、提高其循环容量及倍率性能等具有十分重要的意义。磷酸铁锂(LiFePO_4)是目前广泛应用的锂离子电池正极材料,然而对于LiFePO_4的电化学阻抗谱(EIS)的解释还有很多争论。本文中,首先采用EIS研究了添加不同比例石墨导电剂的LiFePO_4电极在室温条件下的电化学脱嵌锂过程。结果表明,导电剂的比例对LiFePO_4电极的特征电化学阻抗谱具有显著的影响:室温下随着电极中导电剂的增多,阻抗谱从一个半圆和一条斜线转变成两个半圆和一条斜线;当LiFePO_4电极中的导电剂含量低于30%时,室温下LiFePO_4电极的特征阻抗谱为高频区的一个半圆和低频区的一条斜线,其中,高频区的半圆主要归属于电极材料与集流体之间的接触阻抗,而非通常所理解的电荷传递过程。然而,在特定的嵌锂状态下,添加50%石墨导电剂的LiFePO_4电极的特征阻抗谱则由三个部分组成,即两个半圆和一条斜线,其中高频区的半圆主要归属于电极材料与集流体之间的接触阻抗,中频区的半圆归属于电荷传递过程和电极颗粒间的接触阻抗。其中,中频区半圆随电极电位的变化,主要是由电荷传递过程引起的。接着,本文研究了商品化LiFePO_4电极在脱嵌锂过程中的EIS谱特征随温度的变化。结果表明,在5℃,LiFePO_4电极在脱嵌锂过程中,其阻抗谱中存在三个半圆;并且,LiFePO_4电极的阻抗谱特征的变化与环境温度有关,随温度的升高,归属于电极材料与集流体之间的接触阻抗的半圆和归属于锂离子在SEI膜中的迁移的半圆会发生重叠而成为一个半圆。根据以上实验结果可知,室温下LiFePO_4电极阻抗谱的高频区半圆不仅归属于电极材料与集流体之间的接触阻抗还和锂离子在SEI膜中的迁移有关。通过选取适当的等效电路拟合了实验所得的电化学阻抗谱数据,测得了LiFePO_4电极在电解液中相关的反应活化能ΔG。此外,本文采用高能球磨法合成了LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C复合正极材料,采用EIS和恒流充放电技术研究了该材料电极的电化学脱嵌锂过程和相应的循环性能。结果表明:合成的LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C正极材料具有典型的橄榄石结构,并且具有优良的电化学性能,其首周放电容量为142.2 mAh g-1,100周放电容量为144.8 mAh g-1。EIS研究结果表明,LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C电极的Nyquist图由高频区的一个半圆、中频区的一段圆弧和低频区的一条斜线组成,其中高频区的一个半圆归属于电极材料与集流体之间的接触阻抗和锂离子在SEI膜中的迁移,中频区的圆弧归属于电荷传递过程。
【关键词】：磷酸铁锂 锂离子电池 电化学阻抗谱 电极界面反应机制 动力学参数
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 变量注释表18-19
• 1 绪论19-29
• 1.1 锂离子电池简介19-20
• 1.2 锂离子电池的工作原理和基本结构20-22
• 1.3 锂离子电池正极材料简介22-26
• 1.4 锂离子电池电极界面反应机制26-28
• 1.5 本论文研究意义及内容28-29
• 2 实验仪器与实验技术29-33
• 2.1 实验试剂与实验仪器29-30
• 2.2 电极的制备和电池的组装30-33
• 3 LiFePO_4电极界面反应机制研究33-49
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验部分34-35
• 3.3 材料表征35-36
• 3.4 LiFePO_4电极基本电化学性能研究36-38
• 3.5 LiFePO_4电极界面反应机制EIS研究38-47
• 3.6 本章小结47-49
• 4 温度对LiFePO_4中锂离子脱嵌过程的影响49-63
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验部分50
• 4.3 结果与讨论50-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C的制备及其电化学性能63-73
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验部分64-65
• 5.3 材料表征65-66
• 5.4 LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C电极基本电化学性能研究66-67
• 5.5 LiMn_(0.8)Fe_(0.2)PO_4/C电极界面反应机制EIS研究67-71
• 5.6 本章小结71-73
• 6 结论73-75
• 参考文献75-84
• 作者简历84-86
• 学位论文数据集86

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本文编号：452781