锂离子电池钴酸锂正极的溅射包覆研究

发布时间：2017-09-14 06:06

  本文关键词：锂离子电池钴酸锂正极的溅射包覆研究

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【摘要】：日趋严峻的能源危机及人类生存环境的恶化迫使各国加快寻找可再生能源替代化石能源,而如何存储这些可再生能源产生的电能成为能源领域中的关键问题。化学能是最高效的能量存储方式之一,电化学储能电池—锂离子电池因其高效率、高能量密度等众多优势,受到消费电子及电动汽车领域的青睐。作为最早商业化的锂离子电池正极材料,层状结构的LiCoO_2因其低截止电位(4.2 V,vs.Li/Li+)下优异的电化学性能,依然占据着锂离子电池正极材料市场的大量份额。为满足未来对正极材料高能量密度的要求,拓展LiCoO_2的充电截止电位(4.2 V以上)是提高其能量密度的主要手段,然而其高截止电位下存在容量快速衰减、高温性能差等问题。针对这些问题,本文采用射频磁控溅射技术对LiCoO_2电极实现整体包覆,并对包覆的电极进行了一系列材料表征及电化学性能研究,研究内容如下:(1)采用化学稳定性好、离子电导率高的Li_3PO_4作为溅射靶材,首次在LiCoO_2电极表面沉积了一层非晶态的Li_3PO_4薄膜。研究了Li_3PO_4薄膜对LiCoO_2电极表面形貌、晶体结构及电化学性能的影响。SEM及XRD研究发现Li_3PO_4包覆层改变了电极表面形貌,包覆后LiCoO_2的晶体结构没有变化。电化学测试表明Li_3PO_4包覆后,极大提高了LiCoO_2电极室温及高温50℃的循环稳定性和倍率性能。包覆60 nm Li_3PO_4的电极,充电截止电位为4.5 V,1 C倍率高温(50℃)循环100周后放电容量达140 mAh g-1,容量保持率达78.2%,已接近室温循环性能(146 mAh g-1、79.3%);50℃倍率测试中,12 C条件下放电容量高达137 mAh g-1,高于室温的情况(127 mAh g-1)。(2)溅射二氧化钛(TiO_2)对LiCoO_2电极实现包覆,研究了TiO_2薄膜对LiCoO_2电极表面形貌、晶体结构及电化学性能的影响。材料表征分析发现Li CoO_2电极表面的TiO_2包覆层为纳米颗粒构成的连续网状膜。电化学测试表明TiO_2包覆的LiCoO_2电极室温循环性能良好,溅射包覆5 min的电极在3-4.5 V、1 C倍率下循环100周后,放电容量达154 mAh g-1,保持率达到84%,高于Li_3PO_4包覆LiCoO_2电极室温的容量及保持率,但其高温(50℃)的循环性能却未获明显改善。(3)研究了具有氧缺陷的二氧化钛(TiO_(1.8))作为溅射靶材,包覆层对LiCoO_2电极电化学性能的影响。电化学测试发现氧缺陷二氧化钛包覆后,电极的室温循环性能得到极大提高,溅射包覆5 min的LiCoO_2电极,充电截止电位为4.5 V,1 C循环100周后放电容量高达160 mAh g-1,容量保持率达86%,高于之前TiO_2包覆电极的最高容量保持率(84%),当倍率达到最高10 C时,其放电容量达109 mAh g-1,较LCO-bare电极有巨大的提升,也优于TiO_2包覆的电极。充电截止电位提高至4.7 V,TiO_(1.8)包覆后,并未明显改善LiCoO_2电极高电位下的循环性能。
【关键词】：锂离子电池 钴酸锂 磁控溅射 电极包覆 高温性能
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 锂离子电池概述11-13
• 1.2.1 锂离子电池工作原理11-12
• 1.2.2 锂离子电池发展现状12
• 1.2.3 锂离子电池特点12-13
• 1.3 锂离子电池正极材料13-20
• 1.3.1 层状结构的LiNi O_214-15
• 1.3.2 尖晶石结构的Li Mn2O_415
• 1.3.3 橄榄石结构的Li FePO_415-16
• 1.3.4 LiNi_(1-x-y)Co_xMn_yO_2三元材料16-17
• 1.3.5 层状结构的LiCo O_217-20
• 1.4 本论文研究思路、论文结构安排与创新工作20-22
• 1.4.1 本论文研究思路20-21
• 1.4.2 本论文结构安排21
• 1.4.3 本论文的创新工作21-22
• 第二章 实验方法与表征手段22-30
• 2.1 主要试剂及实验仪器22-23
• 2.2 材料表征方法23-25
• 2.3 磁控溅射技术25-26
• 2.4 电极制备及电池组装26-28
• 2.5 电化学性能测试28-30
• 第三章 Li_3PO_4包覆Li CoO_2电极的研究30-42
• 3.1 Li_3PO_4包覆LiCoO_2电极的实验30-31
• 3.2 材料分析表征结果与讨论31-33
• 3.2.1 Li_3PO_4包覆LiCo O_2电极的形貌特征31-32
• 3.2.2 Li_3PO_4包覆层对LiCoO_2电极结构的影响32-33
• 3.3 电化学性能测试结果与讨论33-41
• 3.3.1 Li_3PO_4包覆LiCo O_2电极的恒流充放电测试33-37
• 3.3.2 Li_3PO_4包覆LiCo O_2电极的交流阻抗谱测试37-39
• 3.3.3 Li_3PO_4包覆LiCo O_2电极的CV测试39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的研究42-54
• 4.1 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的实验42-43
• 4.2 材料分析表征结果与讨论43-45
• 4.2.1 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的形貌特征43-44
• 4.2.2 二氧化钛(TiO_2)包覆层对LiCoO_2电极结构的影响44-45
• 4.3 电化学性能测试结果与讨论45-52
• 4.3.1 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的恒流充放电测试45-50
• 4.3.2 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的交流阻抗谱测试50-51
• 4.3.3 二氧化钛(TiO_2)包覆LiCoO_2电极的CV测试51-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 氧缺陷二氧化钛(TiO_(1.8))包覆LiCoO_2电极的研究54-62
• 5.1 二氧化钛(TiO_(1.8))包覆LiCoO_2电极的实验54
• 5.2 二氧化钛(TiO_(1.8))包覆层对LiCoO_2电极结构的影响54-55
• 5.3 二氧化钛(TiO_(1.8))包覆LiCoO_2电极的恒流充放电测试55-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 结论与展望62-65
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士期间取得的研究成果72-73

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本文编号：848300