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车用高能量高功率锂离子动力电池材料研究

黄美红  
【摘要】:随着能源危机和环境污染问题日益严重,人们开始研究清洁绿色的能源。锂硫电池具有理论比能量高(2600Wh/kg),循环性能好等优点,近年来倍受人们关注。本文采用自由基法制备了两种具有独特结构的锂硫正极材料。镍锰酸锂比一般正极材料在电压上高出大约四分之一,降低了动力电池单位体积和重量。因此,本文采用第一性原理结合实验的方法研究Li_xNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的晶体结构和形成能。1.聚噻吩/硫复合正极材料的制备及性能研究通过自由基法制备的聚噻吩/硫复合材料在电流密度为167.5mA/g条件下,首次和第100次循环后的放电比容量分别为1356mAh/g和912mAh/g。当电池的设置循环倍率从167.5mA/g增加到8375mA/g时,电池的放电比容量从1356mAh/g衰减到498mAh/g,说明制备的复合正极材料具有强的结构稳定性,在大电流密度条件下循环性能良好。2.木质素/硫复合正极材料的制备及性能研究木质素/硫复合正极材料在电流密度为167.5mA/g条件下,电池的首次、第50次、第100次的放电比容量分别为1385mAh/g、745mAh/g、649mAh/g。当电流密度从167.5mA/g增加到8375mA/g时,放电比容量从1385mAh/g衰减到了397mAh/g,说明制备的复合正极材料大倍率电化学性能好,具有强的结构稳定性。3.镍锰酸锂Li_xNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的制备及性能研究采用溶胶-凝胶-自蔓延法制备脱锂态镍锰酸锂Li_xNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4(x=1.0,0.875,0.5)。3种材料微观形貌都较规则,棱角和轮廓清晰,其中L_(1.0)样品衍射峰强最高,结晶度最好,L_(0.875)和L_(0.5)的衍射峰都有微小的杂峰。3种材料组装的电池测试均表明材料电化学性能良好,当电流密度为335mA/g时,L_(1.0)、L_(0.875)、L_(0.5)样品的首次放电比容量分别为110mAh/g,100mAh/g,91mAh/g,经过20次循环之后,分别衰减到了98mAh/g,89mAh/g,80mAh/g。4.镍锰酸锂的第一性原理研究LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4中Ni-O和Mn-O键的键长分别为1.981?和2.065?;LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4-δ中Ni-O和Mn-O键的键长分别为2.025?和2.101?,因此LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4具有更好的结构稳定性。在脱锂过程中,晶格参数从8.342?降到了8.247?,但沿着每个方向的变化相同,所以八面体结构不变。随着锂含量的减少,Mn-O键从2.065?降到了1.965?,而Ni-O键从1.981?降到了1.911?。Li_xNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的6个模型的形成能都为负,表明晶体结构稳定,没有发生大的相变。


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