磷酸铁锂低温电解液的性能研究

发布时间：2017-09-07 10:51

  本文关键词：磷酸铁锂低温电解液的性能研究

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【摘要】：磷酸铁锂电池由于其安全性能高,且原材料成本低的优点,成为目前商业化最普及的一种电池,应用前景广阔。但是由于磷酸铁锂的本征电导率和锂离子的扩散系数都很低,导致其低温性能差。而电解液作为电池的“血液”,可以通过调整电解液的配方来改善电池的低温性能。本文先利用规模化生产工艺在实验室合成磷酸铁锂,然后对该材料的理化性能进行全面分析,接着通过调整电解液的溶剂和添加剂,对LiFeO4/Li和MCMB/Li半电池在常温、低温下的容量、循环性能和倍率性能进行测试,最终确定电解液的配方工艺。采用的溶剂有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC),添加剂为亚硫酸丙烯酯(PS)。先对合成的磷酸铁锂进行了各方面的测试,然后对装配的电池进行电化学测试。得到的结论如下：1、采用葡萄糖碳热还原法制备的磷酸铁锂,其形貌为类球形,尺寸在1μm左右,根据能谱分析,其表面覆盖一层碳膜。而且该工艺烧制温度低、时间短、能源消耗少,工艺简单,适合规模化生产。2、针对电池低温性能,先对溶剂比例进行摸索,由于EC的介电常数比较高,在低温下会导致电解液的电导率降低,因此其含量高不利于电池低温性能的发挥,最终确定了EC:DMC:EMC=1:1:3的溶剂比例,此时电解液在-40℃的电导率为2.206mS/cm,在低温下的放电比容量为40mAh/g,低温和常温性能相对来说都比较优秀。3、由于PC的熔点特别低,为了提高电解液在低温下的电导率,采用PC按照一定比例替换EC的方式,进一步对电解液的配方进行优化。经过摸索发现,当EC与PC的比值为2：1时,电池的常温和低温综合性能最好,在低温-40℃放电容量达到了50.1mAh/g,而且放电电压很高,为2.9V。且常温下的循环性能、倍率性能都很优秀。4、通过对电池的常温和低温的EIS测试我们发现,在低温下对于LiFeP04/Li半电池来说,其电荷转移阻抗增加的非常迅速,比常温下的阻抗要高三个数量级。但是对于EC：PC为2：1的半电池来说,不仅其常温下阻抗比较低为160欧姆,而且其低温下的阻抗在所研究的情况中是最低的。5、由于PC的加入对于负极MCMB的层状结构破坏比较严重,需要加入少量成膜剂PS,使得负极形成稳定的SEI膜。最终确定了加入体积分数为3%的PS,对于负极石墨的保护效果最佳。PS的加入不仅使得LiFePO4/Li半电池低温性能提高到62.1mAh/g,而且大大提高了负极的稳定性。对于MCMB/Li半电池来说,其容量高,80周循环的容量保持率最高为98.5%。
【关键词】：磷酸铁锂半电池 低温电解液 碳酸丙烯酯 亚硫酸丙烯酯
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 绪论15-28
• 1.1 引言15
• 1.2 锂离子电池概述15-16
• 1.3 锂离子电池的工作原理16
• 1.4 锂离子电池主要材料16-24
• 1.4.1 正极材料16-17
• 1.4.2 负极材料17-18
• 1.4.3 电解液18-23
• 1.4.4 隔膜23-24
• 1.5 聚合物电解质24
• 1.6 低温电解液的研究现状24-26
• 1.6.1 通过溶剂改进25-26
• 1.6.2 通过锂盐改进26
• 1.7 本论文的研究目的和内容26-28
• 第2章 实验材料、设备与方法28-33
• 2.1 实验试剂28-29
• 2.2 实验仪器及设备29
• 2.3 实验材料的制备29-30
• 2.3.1 电池正极材料磷酸铁锂的制备29-30
• 2.3.2 电池的装配30
• 2.3.3 电解液的配制30
• 2.4 测试方法和手段30-33
• 2.4.1 X射线衍射30
• 2.4.2 电导率的测定30-31
• 2.4.3 电化学性能测试31
• 2.4.4 电化学阻抗谱和循环伏安法31-33
• 第3章 溶剂配比对LiFePO4/Li半电池低温性能的影响33-45
• 3.1 引言33
• 3.2 磷酸铁锂的制备与材料分析33-36
• 3.3 溶剂配比对电导率的影响36-39
• 3.4 电解液配比对于磷酸铁锂半电池性能影响39-43
• 3.4.1 对常温性能的影响39-42
• 3.4.2 对低温性能的影响42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 PC对于电池低温性能的影响45-57
• 4.1 引言45-46
• 4.2 EC与PC比值对于电解液基本性能影响46-47
• 4.3 EC与PC比值对于LiFePO4/Li半电池常温性能的影响47-51
• 4.3.1 首周充放电性能47-48
• 4.3.2 EC与PC比值对于半电池循环性能的影响48-49
• 4.3.3 EC与PC比值对于半电池倍率性能影响49-51
• 4.4 EC与PC比值对于LiFePO4/Li半电池低温性能的影响51-52
• 4.5 EC与PC比值对于电池低温和常温下阻抗影响52-55
• 4.5.1 交流阻抗谱图52-53
• 4.5.2 磷酸铁锂半电池常温EIS分析53-54
• 4.5.3 EC与PC比值对于电池低温阻抗的影响54-55
• 4.6 本章小结55-57
• 第5章 PS对于电池低温性能和负极SEI膜的影响57-70
• 5.1 引言57-58
• 5.2 PS的加入对于电解液电导率的影响58
• 5.3 PS加入对于LiFePO4/Li半电池性能的影响58-63
• 5.3.1 PS的加入比例对于LiFePO4/Li半电池首周性能影响58-60
• 5.3.2 PS的加入比例对于LiFePO4/Li半电池倍率性能影响60-61
• 5.3.3 PS的加入比例对于LiFePO4/Li半电池循环性能影响61
• 5.3.4 PS的加入比例对于LiFePO4/Li半电池低温放电性能影响61-63
• 5.4 PS的加入对于电池负极材料——石墨的影响63-69
• 5.4.1 PS的加入对于MCMB/Li半电池放电性能的影响63-64
• 5.4.2 PS的加入对于MCMB/Li半电池0.5C循环性能的影响64-65
• 5.4.3 PS的加入对于MCMB/Li半电池阻抗的影响65-66
• 5.4.4 对于MCMB/Li半电池进行CV测试66-67
• 5.4.5 负极石墨成膜情况表征67-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第6章 结论70-72
• 参考文献72-80
• 致谢80-81
• 学位论文评阅及答辩情况表81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 孟祥德;张俊红;王妍妍;刘海;;天然石墨负极的改性研究[J];化学学报;2012年06期

2 吴新雄;;“十三五”中国能源规划新方向[J];矿业装备;2014年09期

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本文编号：809118