基于碳纳米管宏观膜的高性能可折叠锂离子电池研究

发布时间：2017-11-07 19:39

  本文关键词：基于碳纳米管宏观膜的高性能可折叠锂离子电池研究

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【摘要】：移动互联网技术的迅猛发展推动了智能可穿戴设备的兴起。全新的使用环境要求电源不但有长续航能力,还能对其进行压、弯、拉、卷甚至折叠操作。作为目前综合性能最优的储能器件,锂离子电池(LIBs)被视为智能可穿戴设备的首选电源体系。但传统制造中所用铜、铝等金属极集流体与非金属的活性物质界面结合差,电池难于进行压、弯、拉、卷等操作;另一方面,金属高密度属性增加了重量,使电池能量密度降低。针对目前实际,本研究基于超轻、柔性碳纳米管宏观膜(Carbon nanotube(CNT)macro-film,CMF),提出以其为集流体组装LIBs。该法所得电池不但能量密度高(~170 W h kg-1),且能对其进行折叠操作,这对可穿戴技术早日应用具有重要意义。本文中利用动态机械分析仪、四探针测试仪、电化学工作站以及拉曼光谱等对CMF的理化性能进行了研究,然后重点讨论了CMF条件下电极材料的选择,并使用X射线衍射以及X射线光电子能谱对相关结构和表面状态进行了研究。结果表明:CMF承载Li Co O2与Li4Ti5O12得到的LCO-CMF正极与LTO-CMF负极具有良好的电化学性能。在此基础上,组装了全CMF基LIBs,对其相关性能展开了研究。最终,通过电池工艺的控制开发出了基于CMF的高性能可折叠LIBs。主要研究结果如下:(1)利用高石墨化程度的CNTs宏观连续体制备的大尺寸(~3 m2)CMF具有密度低(~0.3 mg cm-2)、强度高(~80 Mpa)、导电性好(~300 S cm-1)并耐电流刺激的特点;同时,CMF表面束状多孔结构有利于改善电极材料和集流体接触界面,起到了降低电极极化内阻的作用。(2)电极材料的选择是获得高可逆性CMF基电极的关键。绝大多数正极材料的电位高于3.4 V(vs.Li/Li+),使用CMF集流体一般不存在问题。CMF如要发挥应有效果,负极材料的Li+嵌脱电位需在0.9 V(vs.Li/Li+)之上,目前商业负极中仅Li4Ti5O12能满足要求。(3)本研究中的CMF基电池在25°C时具有大于1000次的循环寿命,-20°C下时放电容量可达25°C的80%以上。超轻CMF的使用能显著提高Li4Ti5O12电池的能量密度,低面密度条件下可抵消Li4Ti5O12电池工作电压过低对能量密度的影响。通过优化设计所得的CMF基可折叠电池在纵、横折叠5次,面积减小至原来1/12的情况下仍可保持结构完好且电化学性能无明显变化。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912

【参考文献】

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1 钟盛文;胡经纬;吴子平;梅文捷;;正极集流体为碳纳米管宏观膜的锂离子电池及其性能[J];新型炭材料;2014年04期

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本文编号：1153856