基于原位生长的锂电池正极材料与金属基片的连接

发布时间：2020-08-01 11:39

【摘要】：锂离子二次电池作为一种绿色高效的电能转换系统是目前能源领域研究的重点,钴酸锂(LiCoO_2)和磷酸铁锂(LiFePO_4)是具有很高应用价值的锂电池正极材料,其中LiCoO_2凭借其较高的充放电容量和优异的低温性能在商用锂电池中得到广泛应用,而LiFePO_4凭借其热性能和化学性能稳定、绿色安全等优点成为一种发展迅猛的商用锂电池正极材料。根据目前锂电池的制备工艺,正极活性材料与集流极金属之间的连接方式为粘接,这会导致连接界面处存在较大的接触电阻,降低锂电池的性能。针对这一问题本课题提出通过原位生长的方式在金属基板表面直接生长LiCoO_2和LiFePO_4正极材料,实现正极材料与金属基板之间的原子键合,进而提高锂电池的性能。利用熔盐法在Pt基体表面生长LiCoO_2晶体层并对连接界面进行表征。通过在不同基体表面的生长试验,确定Pt为最佳基体材料选择。利用熔盐法制备出的LiCoO_2晶体层为纳米尺度的盘状结构,厚度在2μm左右,随后探究保温温度、保温时间、退火温度等工艺参数对LiCoO_2晶体层生长的影响,通过扫描电子显微镜(SEM)分析、X射线衍射(XRD)分析、透射电子显微镜(TEM)分析、能谱(EDS)分析等手段,确定500℃下保温3h为最佳制备工艺以及700℃下保温1h为最佳退火工艺。利用聚焦离子束(FIB)制样以及TEM和超级能谱分析,确定LiCoO_2晶体层是直接生长在Pt基板上的,通过原位生长的工艺方法实现了两种材料之间的无缝连接。对LiCoO_2盘状晶体生长取向的分析表明晶体的侧面主要由平行于a轴的晶面组成,晶体的上下表面主要由平行于b轴的晶面组成,LiCoO_2晶体的这种生长方式对于Li+的迅速嵌脱是很有利的。同时利用熔盐法成功制备出纳米棒状LiCoO_2晶体,以探究不同形貌结构对LiCoO_2正极材料电化学性能的影响。利用熔盐法在SUS316不锈钢基体表面生长LiFePO_4晶体层并对连接界面进行表征。在基体表面生长出的LiFePO_4晶体为多面体块状结构,晶体长度方向的尺寸为700nm左右,晶体层的厚度为8μm左右。随后探究了保温温度、保温时间以及溶质浓度等工艺参数对LiFePO_4晶体生长的影响,通过多种分析测试方法确定了50mol%浓度下800℃保温0h为最佳制备工艺。胶带剥离试验和SEM观测认为在不锈钢基体表面直接生长出了LiFePO_4晶体层,实现了两种材料之间的无缝连接。通过面角分析和XRD分析确定LiFePO_4晶体的表面主要由{100}、{110}和{201}晶面族组成,晶体的生长具有特定的取向。同时利用熔盐法制备出球形LiFePO_4晶体,以探究不同的形貌结构对LiFePO_4正极材料电化学性能的影响。对LiCoO_2和LiFePO_4正极材料的电化学性能进行表征。分别以盘状LiCoO_2粉末和极片、纳米棒状LiCoO_2粉末、块状LiFePO_4粉末和极片、球状LiFePO_4粉末作为正极组装锂离子半电池。对比分析原位生长的无添加剂LiCoO_2正极和传统工艺制得的LiCoO_2粉末正极电化学性能的差异,发现无添加剂正极具有更高的倍率性能和循环稳定性,这主要是因为在连接界面处实现了可靠连接,增加了界面处的导电性以及多次循环的稳定性。对比分析盘状LiCoO_2粉末正极和纳米棒状LiCoO_2粉末正极电化学性能的差异,发现纳米棒状材料具有更优越的倍率性能和更高的实际比容量,这主要是因为纳米棒状LiCoO_2晶体是由尺寸更小的纳米颗粒组成的,使得材料具有更大的比表面积。原位生长的无添加剂LiFePO_4正极无法进行充放电循环。对比分析块状LiFePO_4粉末正极和球状LiFePO_4粉末正极电化学性能的差异,发现两种材料均存在一定的极化现象,球状LiFePO_4粉末正极在各倍率下的实际比容量比较稳定,其循环稳定性要优于块状LiFePO_4粉末正极。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

人类的生存和发展离不开能源，特别是在当今社会，随着传统能源的日益枯竭和对绿色新能源的追寻，能源研究已成为科学研究领域的三大热点之一。目前能源研究主要包括新类型能源的开发和新能源利用方式的开发两大方面，特别是能源利用方式的研究，最近几年得到了迅猛发展，光热电站、电动汽车、柔性电池等已不再仅仅是科学研究的实验品，它们已经逐步商业化，成为促进社会经济发展的新动力，产品如图 1-1 所示。

使得电池负极锂增加。电子则通过外电路传输到负极，保；放电时电池负极脱出 Li+，通过电解液嵌入正极材料中使由外电路传输到正极与 Li+复合。锂离子二次电池的正负极些活性物质一般为层状或者隧道结构，这种结构有利于 电极材料在充放电循环的过程中结构发生不可逆的变化，[2]，锂离子二次电池充放电反应原理如图 1-2 所示

LiCoO2的结构单元示意图

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

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2 魏晓;韩高荣;;锂离子电池正极材料研究进展以及水热法制备LiCoO_2超细粉体[J];材料科学与工程学报;2006年01期

3 齐力,林云青,景遐斌,王佛松;草酸沉淀法合成LiCoO_2正极材料[J];功能材料;1998年06期

相关博士学位论文 前1条

1 刘思思;二次锂电池锂基负极与电解质界面研究[D];上海交通大学;2012年

相关硕士学位论文 前6条

1 高田田;钴酸锂正极中添加磷酸铁锂改善电池过放性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

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3 方金宇;邛崃高岭土熔盐法制备莫来石晶须兼对其分散性的研究[D];成都理工大学;2012年

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本文编号：2777414