锂离子电池硅负极激光熔注工艺研究

发布时间：2020-04-02 15:38

【摘要】：锂离子电池(Lithium ion Batteries,LIBs)具有高能量密度、无记忆效应、高容量性能等优点,在电动汽车、电子设备等领域广泛应用。商业锂离子电池大多使用石墨负极,其理论容量只有372 m A·h/g,不能满足日益增长的需求。硅材料理论比容量高(4200 m A·h/g),是替代石墨的理想负极材料。目前主要采用涂覆法,即将导电剂、粘结剂与硅颗粒混合直接涂覆在集流体表面实现硅负极的结构化。采用涂覆法,硅颗粒与集流体的结合力较弱,多次充放电循环中,由于硅颗粒的体积多次膨胀和收缩,导致其粉化破碎与集流体脱落,容量迅速衰减。同时,导电剂、粘结剂的添加降低了硅颗粒的负载量,阻碍了硅电极的实际应用。本文采用激光熔注方法,使用高功率光纤激光扫描金属镍集流体表面形成熔池,同时向熔池内注入硅颗粒,随着熔注层的快速凝固,未熔化的硅颗粒保留在金属镍表面,实现硅电极的制造。通过ANSYS模拟,获得激光重熔过程中温度场及熔池熔深、熔宽和激光扫描方向节点的温度时变规律。通过对激光功率、扫描速度、离焦量等工艺参数的研究,获得了优化的熔注层熔深为0.37 mm、熔宽为2.58 mm,激光辐照下熔池拖尾长度可以达到1.42 mm。并通过常规75μm粒径硅颗粒的注入验证了此熔注层适合激光熔注。通过设计气雾化振动送粉装置实现了粒径5μm硅颗粒送出,并利用此送粉装置进行激光熔注实现了硅颗粒沉积在镍基底表层的制备。研究结果表明:采用激光熔注的方法可以实现硅颗粒与金属镍基底的冶金结合,为锂离子电池硅负极的制造提供了新思路。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

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本文编号：2612136