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磷酸亚铁锂/硬碳锂离子电池的工艺及电化学性能研究

廖祥飞  
【摘要】:自从锂离子电池被成功研制并商业化以来,锂离子电池以其循环寿命长、工作电压高、安全性好、无记忆效应等特点越来越受到人们的青睐和重视。然而,锂离子电池电化学性能的好坏与其所使用的正负极材料、导电剂、粘结剂、电解液、隔膜等有着密切的关系。磷酸亚铁锂(LiFePO4)因其具有原料丰富、比容量高、结构稳定、安全性好等优点成为了一种比较有潜力的锂离子电池正极材料。同时,可以作为锂离子电池负极材料的硬碳(hard carbon, HC),由于其无规则的排序具有较高的容量、优良的循环性能和较低的造价等特性,使得人们对其产生了极大的兴趣。本文将LiFePO4与硬碳组合成LiFePO4/HC电池,从正极材料所用的导电剂和粘结剂等工艺方面对LiFePO4/Li半电池及LiFePO4/HC全电池的电化学性能影响进行研究,并将LiFePO4/HC电池和LiFePO4/石墨(AGP-3)电池的电化学性能进行比较,得出如下结论: 1.对于LiFePO4/Li半电池,使用Super P Li做导电剂时,电池的电阻相对更小,在0.2 C和1 C的放电倍率下,电池的放电平台都比使用乙炔黑做导电剂时更为平稳,且比容量更大。在1 C放电倍率下经过150个循环后,电池容量的保持率要相对更稳定。循环伏安测试表明所使用的LiFePO4材料本身的循环可逆性较好,这与LiFePO4颗粒间存在的碳纳米管提高了其导电性可能有很大的关系。 2.对于LiFePO4/HC全电池,同样我们得出使用Super P Li做导电剂时,电池的电阻相对更小且比容量更大。倍率性能测试显示,使用Super P Li做导电剂时电池的倍率性能更加优越,但是,可能由于所使用的粘结剂PVDF粘结性能不够好,使得电池在10 C的放电倍率下比容量很低。同时,与LiFePO4/Li半电池相比,全电池的电阻值要小,放电曲线没有出现平台且在1 C放电倍率下循环150次后电池的容量保持率要高。 3.使用水性粘结剂SBR和油性粘结剂PVDF制得LiFePO4极片,将其与金属锂片组合成LiFePO4/Li电池。在0.2 C的放电倍率下,使用两种粘结剂体系电池的放电平台(约3.38 V)都较为平稳,放电比容量基本相等,其中水性粘结剂SBR体系其比容量稍低一些,当电池放电倍率为1 C时,使用水性粘结剂SBR时,电池的首次和第2次放电比容量都比使用油性粘结剂PVDF时要高。从交流阻抗和循环寿命测试我们得知,使用水性粘结剂时电池的阻抗值更小,其Rct值为89.68Ω,在1 C的放电倍率下,经过150个循环后,电池容量的保持率要相对更稳定,其保持率为65%。 4.使用两种粘结剂后,LiFePO4/HC电池在0.2 C的放电倍率下,油性粘结剂体系的LiFePO4/HC电池的首次放电比容量要高于水性粘结剂体系,但随着循环的进行油性粘结剂体系的放电比容量会呈下降趋势,而水性粘结剂体系则会呈现一定的上升趋势。当电池在1 C的放电倍率下进行放电时,与半电池测试结果相同,水性粘结剂体系电池的放电比容量要高于油性粘结剂体系且容量保持率要好,保持率为97.9%。倍率性能测试显示,水性粘结剂体系电池的大倍率性能要好于油性粘结剂体系。此外,使用水性粘结剂时电池的阻抗值更小,其Rct值为5.08Ω,且无论哪种粘结剂全电池的阻抗值都要比半电池小。 5.使用硬碳做负极时电池的倍率性能要好,电池在1 C的充放电倍率下进行充放电时,LiFePO4/AGP-3和LiFePO4/HC电池的放电比容量值分别为0.2 C倍率下的84.3%和91.0%,在1 C和2 C的放电倍率下,LiFePO4/AGP-3电池的放电比容量要稍高于LiFePO4/HC电池,但是当电池的放电倍率为5 C和10 C时,LiFePO4/HC电池的放电比容量值却要高于LiFePO4/AGP-3电池。 6.电池使用硬碳和石墨材料做负极时阻抗值相差不大,LiFePO4/HC电池的Rct值稍小一些。1 C的放电倍率下,LiFePO4/HC电池的循环寿命要比LiFePO4/AGP-3电池长。此外,与正负极材料的半电池相比,在10 C的放电倍率下,LiFePO4/HC全电池的循环寿命要远远长于半电池,经过2450个循环后电池的放电比容量才降为首次的60%。


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