提升磷酸铁锂电池高倍率性能的研究

发布时间：2017-08-10 12:06

  本文关键词：提升磷酸铁锂电池高倍率性能的研究

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【摘要】：自从上世纪九十年代第一块商品化产品上市,锂离子电池以其能量密度高,寿命长,对环境友好等优势,被广泛关注。锂离子电池技术的发展,使得笔记本电脑,手机,相机等便携式手持设备技术得到长足的发展,走进千家万户,为人们的日常生活带来便利。正极材料是影响锂离子电池关键性能的核心材料,经过研究者们努力开发,目前常用的稳定材料主要有钴酸锂(Li Co O2),锰酸锂(Li Mn2O4),镍钴锰三元(Li(Ni Co Mn)O2),NCA和磷酸铁锂(Li Fe PO4)等。磷酸铁锂是一种具有橄榄石结构的电池材料,它结构稳定可靠,循环过程中形变小,寿命长,逐渐成为储能电站和新能源电动汽车替代能源的首选。但是磷酸铁锂本征电导率低,离子扩散系数小,使得其低温性能,高倍率性能较差。尤其是大功率性能,在EV、HEV、智能电站“削峰填谷”等应用领域至关重要,直接影响其大规模推广应用。本文拟使用成熟的电池制造工艺制备18650磷酸铁锂电池,通过正极、负极、集流体等关键材料的研究改良,提高电池的高倍率性能。首先,考察磷酸铁锂材料对电池高倍率性能的影响,分别考察了合成工艺,材料粒径,含碳量等因素。通过SEM研究,不同工艺制备的磷酸铁锂具有完全不同的微观形貌。使用相同的工艺制备18650电池,对电池的内阻,大电流放电平台,放电温升等数据进行对比采集,发现合成工艺对倍率性能的影响并不存在可循的规律,对最终的倍率性能并不存在决定性的影响。选用了D50为0.667um,1.151um,1.998um,2.481um的材料对比,发现0.667粒径的材料制备电池内阻为9.7mΩ,且具有更高的放电平台,具备更好的高倍率性能,因为较小的粒径可以减小了锂离子扩散半径,提升离子传输速率,直接提高倍率性能。值得注意的是,更小的粒径,直接带来加工工艺更加困难的弊端,在实际生产中,需要综合考虑性能和易操作性。含碳量是磷酸铁锂一项重要的技术指标,目前主流的是在合成阶段加入碳源进行碳包覆。通过TEM测试可以发现材料最外层均匀包覆一层碳层。实验室合成了四种不同含碳量的材料进行测试对比,发现最高含碳量2.0%的材料制备的电池具有9.2mΩ的内阻,2.91V的大倍率放电平台电压,25度的放电温升,所有数据均为测试电池中最佳数据,说明碳含量越高,倍率性能越好。其次,研究了电池其他关键材料对电池的性能影响。通过自制工装夹具测试极片电阻,统计与之对应的电池性能,发现极片电阻更低,最终制备的电池内阻越低,高倍率性能越好。在不同厚度的铝箔测试中,最厚的20um铝箔制备的电池具有最高的2.61V的20A放电电压平台和最低的43度温升,倍率性能最好。通过循环伏安法测试确认,在2.0V-4.2V锂电池工作电压区间内,导电涂层不存在副反应,不会对整个电池的电化学系统产生影响。实验表明:导电涂层的使用,能够降低电池内阻1-2mΩ,提高高倍率性能;改善电池的循环稳定性,平台电压循环3000次维持在3.15V左右,容量保持率90%;低温放电容量保持率达到76%;显著提高电池的综合性能。通过正交实验确认最佳导电剂添加比例,实验表明:添加片状石墨1%,导电炭黑2%,ECP,VGCF,CNTs等大表面积,高导电性材料1-2%,电池具有最佳的综合性能,SEM照片显示,此时的电极分散良好,活性材料间隙均匀分布导电材料,构筑了较为完整的导电网络。最后,研究了负极工艺对电池性能的影响。使用有机系负极新工艺,极片在95±5℃环境中烘烤16h,水分含量基本达到稳定,保持在180ppm左右。电池低温放电容量保持率为73.92%,20A放电容量保持率为92.63%,平台电压为2.82V,均显著优于水系负极,表明有机系负极工艺能够显著改善电池性能。
【关键词】：磷酸铁锂 导电涂层 高倍率性能
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂离子电池概述13-14
• 1.3 磷酸铁锂概况14-20
• 1.3.1 磷酸铁锂发展历程14-15
• 1.3.2 磷酸铁锂的结构15-17
• 1.3.3 磷酸铁锂的合成方法17
• 1.3.4 磷酸铁锂相变模型17-20
• 1.3.4.1 辐射状锂离子迁移模型17-18
• 1.3.4.2 马赛克锂离子迁移模型18-19
• 1.3.4.3 多米诺骨牌锂离子迁移模型19-20
• 1.4 磷酸铁锂主要应用领域20-24
• 1.4.1 电动汽车20-22
• 1.4.1.1 发展概述20
• 1.4.1.2 发达国家电动汽车发展20-21
• 1.4.1.3 中国电动汽车发展21-22
• 1.4.2 储能22-24
• 1.4.2.1 储能技术的分类22-23
• 1.4.2.2 美国储能发展23
• 1.4.2.3 日本储能发展23
• 1.4.2.4 中国储能发展23-24
• 1.5 本论文的研究目的及内容24-25
• 1.5.1 本论文的研究目的24
• 1.5.2 本论文的研究内容24-25
• 第二章 实验设备及实验方法25-32
• 2.1 实验仪器及设备25
• 2.2 实验试剂25-27
• 2.2.1 磷酸铁锂25-26
• 2.2.2 电池制备主要原材料26-27
• 2.3 18650圆柱磷酸铁锂电池制备27-28
• 2.4 测试方法28-32
• 2.4.1 SEM测试28-29
• 2.4.2 材料粒度分析测试29
• 2.4.3 循环伏安测试29
• 2.4.4 圆柱电池性能测试29-31
• 2.4.5 导电涂层铝箔性能测试31-32
• 第三章 磷酸铁锂材料对电池高倍率性能影响32-44
• 3.1 引言32-33
• 3.2 磷酸铁锂工艺路线对电池的高倍率性能影响33-38
• 3.2.1 磷酸铁锂微观形貌33-35
• 3.2.2 倍率性能测试35-38
• 3.3 磷酸铁锂参数与倍率性能的影响38-43
• 3.3.1 磷酸铁锂粒径对电池性能的影响38-41
• 3.3.2 磷酸铁锂含碳量对大倍率性能的影响41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 电池工艺对电池高倍率性能影响44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 极片电阻和电池倍率性能的关系44-45
• 4.3 不同集流体与电池倍率性能的关系45-51
• 4.3.1 不同厚度铝箔对电池倍率性能影响45-46
• 4.3.2 导电涂层铝箔电化学稳定性研究46-51
• 4.4 导电剂对电池的性能影响51-53
• 4.4.1 导电剂概述51
• 4.4.2 导电剂对电池性能影响51-53
• 4.5 负极工艺对电池性能的影响53-55
• 4.5.1 负极工艺对极片水分含量影响53-54
• 4.5.2 负极工艺对电池性能影响54-55
• 4.6 本章小结55-57
• 第五章 总结和展望57-59
• 5.1 总结57
• 5.2 展望57-59
• 参考文献59-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文65

【参考文献】

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