石墨锂离子电池负极材料的改性研究

发布时间：2020-11-19 05:03

　　 当代社会面临的能源短缺的问题愈加严峻,可再生能源的开发以及与之相关的储能设备的研究受到了广泛关注。锂离子电池有体积小、重量轻、寿命长、环境友好、无记忆效应等优点。石墨由于成本低,环境友好,充放电电压低,稳定性好成为目前商业化程度最高的负极材料。但是,石墨的比容量较低,在循环过程中由于会发生石墨片层的剥落而缩短寿命,倍率性能和低温性能较差,尚不能满足新一代电动汽车对高能量密度和高功率密度的动力系统的要求。为了得到电化学性能更为优异的石墨负极材料,本文制备了不同化合物改性的石墨材料,并对材料的微观形貌,化学成分和反应机理进行了分析。(1)偏铝酸锂作为一种有前途的锂离子导体,在改性锂离子电池负极材料方面没有得到应有的重视。本文通过简单地将适当比例的Al(NO3)3、LiN03和石墨均匀混合并烧结,成功制备出LiA102/C改性纳米复合材料,并利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对LiA102改性石墨颗粒进行了分析。电化学测试表明,LiA102/C复合材料在0.1C的电流密度下表现出优异的循环性能和优异的倍率性能。扫描电子显微镜(SEM)测试和拉曼光谱表明,烧结引起表面无序化程度的增加和LiAl02纳米颗粒的均匀分布,这两者均可以提高电池的电化学性能。利用了第一性原理模拟方法,确认了锂离子的传输途径,证明了使用无机化合物来改善石墨的电化学性能的可行性。结果表明,偏铝酸锂晶格中的空位和原有的锂可以为锂离子传输提供三维通道,是一种优良的锂离子导体。(2)Li+插入/脱出过程中严重的体积变化和快速的容量衰减限制了氧化铜作为锂离子电池负极材料和电极材料的潜在应用。为了改善石墨的电化学性能,提出了一种通过在高温下分解Cu(CH3C00)2.H20来获得纳米铜氧化物的新方法。通过混合溶液和高温烧结制备出含有无机化合物的改性石墨,其在120次循环后、在0.5 C的电流密度下的放电容量为493.3 mAh/g,并且在0.1 C的电流密度下循环155次后、其容量从522.8增加到675.9 mAh/g。显微组织分析表明,石墨层的厚度和无序度的变化是由化学反应引起的。通过第一性原理计算研究了嵌入不同金属离子的石墨的结构,电导率和储锂性能。结果证明金属嵌入可以有效地改善材料的性能。(3)前人的工作证明,钮离子电池石墨负极的电化学性能可以通过熔融的碱金属盐处理石墨来改善。本文提出了一种将石墨颗粒和氯化钾与去离子水简单混合并烧结制备锂离子电池石墨负极材料的方法,该方法安全、简单且成本低。与未处理的石墨相比,经过200次循环后,氯化钾改性石墨的倍率性能在1C的电流密度时显著提高至269.7 mAh/g,有效解决了限制石墨基锂离子电池在混合动力汽车领域中应用的瓶颈问题。应用第一原理计算,分析了 K+对石墨锂储存容量的影响。本研究为采用钾盐改性处理其他负极材料,提高其电化学性能提供了理论依据。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM912
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??与电极材料相匹配是二次电池研究的另一个重点??放置与电池的正负极之间，减少短路风险。其材质通常为聚合物。??在电池面临撞击、挤压等特殊情况时提供物理保护，防止问题。其材质通常为具有较高比强度的聚合物或轻质合金池的工作原理??池是典型的“摇椅式”电池［１９］？??ｏｎ?Ｃｈａｒｇｅ?ｅ?ｏｎ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ??

Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＬｉＭｎ２〇４??自聚阴离子型磷酸铁锂（ＬｉＦｅＰ０４）自１９９７年［２９］被报道以來，作为：次电池??的圯极材料吸引了广泛的关注。磷酸铁锂是橄榄石结构（如图１．３所小），理论比??容量为１７０?ｍＡｈ／ｇ，放电电压在３．４Ｖ左右。这种材料成本低、环境友好、无毒、??循环性能优异、稳定性好，何是由于其电导率和锂离子迁移率较低，倍率性能较??差。为了使其可以大规模应用于电动汽车、混合动力汽车等的电池动力系统，仍??需要进一步研究。??國懸??（ａ）空间结构?（ｂ）ａｂ平面结构??图１．３?ＬｉＦｅＰ０４的晶体结构［３０］：?（ａ）空间结构；（ｂ）ａｂ平面结构??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＬｉＦｅＰ〇４：?（ａ）?ｓｐａｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；?（ｂ）?ａｂ?ｆｌａｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??应用在二次电池正极材料的三元材料ｕ要是由镍、钴、锂构成的三元材料，??例如ＮＭＣ（ＬｉＮｉｌ３Ｃｏｌ３Ｍｎｌ３Ｏ２），其理论比咨量为?２７０ｍＡｈ／ｇ，实际比容量是１８０??ｍＡｈ／ｇ

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本文编号：2889741