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导电剂中添加金属粉末对锂离子电池性能的影响

刘露  
【摘要】: 随着电子设备的快速发展以及能源与环境问题的日益突出,人们对化学电源提出了更高的要求。锂离子电池以其高电压、比能量大、循环寿命长,无污染等优点在市场上快速崛起,成为一种新型清洁、高能能源。将来,以锂离子动力电池为能源的电动车必然是交通运输行业的发展方向。 本文在综述锂离子电池、相关材料及其发展趋势的基础上,比较了目前最热门的四种正极材料的优缺点,分析了电动车对锂离子动力电池的需求。针对各种锂离子电池正极材料电导率都比较低的特点,以改善导电剂导电率,进而提高电池大电流充放电性能作为本文的研究目标。 本文首先对导电剂石墨和乙炔黑进行了表面处理。将两者置于丙酮溶液中搅拌10分钟,然后抽滤、烘干,将其作为导电剂并与LiMn_2O_4和PVDF溶液以8:85:7的质量比搅拌,做成电极装配成模拟电池测试其电化学性能,与以未经表面处理的石墨和乙炔黑作为导电剂的电池进行对比。得到如下结论:(1)导电剂表面经处理后,添加到电极材料中能增加电池的循环性能以及大电流充放电容量。原因是石墨与乙炔黑在生产过程中表面会带有一层酯类物质,这层酯类物质会对电子和锂离子的迁移带来阻力,丙酮能将这类物质很好地去除;(2)在质量百分含量相同的情况下,采用石墨作为导电剂的电池在循环性能上比以乙炔黑作为导电剂的电池好,但是后者的质量比容量比前者高。这是因为乙炔黑的粒度比石墨小,比表面积相对更大,能很好地分散在活性物质之间。再就是乙炔黑的电导率和锂离子迁移速度比石墨的也要高。 其次,研究了在导电剂中添加金属粉来提高电导率。实验以乙炔黑作为导电剂的主体,往其中添加一定量的金属粉来增加电极材料的电导率,以达到改善大电流充放电的效果。得到如下结论:(1)当添加的金属粉为铜粉的时候,无论添加量为多少,电池都不能进行充放电。原因是铜粉与铝箔之间产生了一定的电势差,扰乱了内部电场,影响了电子和锂离子的迁移;(2)将铝粉作为添加对象,当量小的时候在一定程度下能提高电池的大电流放电容量,而太多则会阻碍锂离子的迁移,进而降低电池的性能。通过比较发现,铝在导电剂中的含量为0.5~0.75%(ωt%)时性能最佳;(3)对比几种铝粉的添加方法,发现在混料前将所有物质置于玛瑙研钵中手工进行混合能使电池的质量比容量上升,但是循环效果不尽如人意。因为手工混合达不到非常均匀的效果,而且在混合的过程中会对LiMn_2O_4的粒度造成影响,严重时还会破坏其晶体结构,此时纳米铝粉也很容易氧化成氧化铝,影响电池性能;(4)将铝粉和乙炔黑加入到玛瑙球磨罐中,以乙醇作为分散剂,球磨8小时以后进行真空干燥,再通过250目过筛,制成混合导电剂。这使得电池在循环性能和大电流放电性能都得到了极大的改善,其中以0.2mA循环15次充放电后容量仅衰减4.6%,0.5mA循环20次充放电后容量仅衰减0.24%,0.8mA循环20次充放电后容量仅衰减8.7%,此时质量比容量还高达97.5mAh/g。通过交流阻抗测试也发现加入铝粉后能提高正极材料的电导率,减小电荷转移时的电阻。 本论文还试探性的利用AgNO_3的高温分解性在电极中添加Ag粉,但结果却不令人满意,通过对机械球磨后的电池材料进行SEM扫描分析,发现电池容量衰减的原因是长时间的机械球磨使得活性物质的晶体破裂,还有一点可能是因为温度不够高,AgNO_3分解的不彻底,使得电池中还存在着AgNO_3,影响了电池的性能。针对LiFePO_4的低电导率,本文还对以LiFePO_4作为活性物质,用掺过铝粉的导电剂对其进行试探性研究,发现加入铝粉的试样在0.2mA充放电下的性能不如纯乙炔黑的试样,但是加大电流放电后的差异逐渐呈现出来,其中含铝0.75%的试样表现出了比较好的性能,其C_(0.2)/C_(0.5)最小,预计加大铝含量后效果能提升的更为明显。 总体上来讲,在导电剂中添加一定量的铝粉能增加以LiMn_2O_4为活性物质的锂离子电池的大电流放电性能,而对于其它电池材料和金属导电剂而言,还需要更进一步的研究。


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