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基于三元材料的凝胶聚合物电解质动力电池研究

李喜林  
【摘要】:锂离子电池已经成为重要的电能储存载体,随着电能应用领域的不断拓展,开发高安全性、高能量密度和长使用寿命的锂离子电池成为了电池领域研究的重点。电极材料、电解质材料等的选择和合理搭配对商业锂离子电池有深刻影响。其中,正极材料对于锂离子电池的性能影响尤为重大。市场迫切需要开发具有潜力的正极材料,比如镍钴锰或者镍钴铝三元正极材料。但是三元材料作为最有可能取代LiCoO_2的正极材料,在如何提高其循环稳定性、倍率性能、以及安全性等成为亟待解决的难题。本文一方面探究了共沉淀法制备三元材料LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2(NCM)过程中不同反应条件对合成材料的影响;另一方面探究了三元正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)分别与不同负极材料以及电解质体系匹配制备不同体系的动力电池,并研究其电化学性能和安全性能。论文首先通过共沉淀法制备了系列NCM三元材料。首先,探究了不同沉淀剂、络合剂氨水的添加量、表面活性剂的量等对前驱体形貌、分散性的影响。其次探究了前驱体形貌、低温预处理、烧结条件等对NCM三元材料形貌和电化学性能的影响。优化了合成分散性好、物相单一、倍率性能优良的层片状以及球状三元材料的工艺。其次,论文以NCA三元材料为正极,分别匹配硅碳与石墨负极制备动力电池。电解质分别采用液态电解质(LE)和凝胶聚合物电解质(GPE),其中GPE以季戊四醇三丙烯酸酯(PETEA)为反应单体,偶氮二异丁氰(AIBN)为热引发剂,通过现场引发聚合制备GPE动力电池,研究结果表明,相比于LE动力电池,基于GPE的动力电池在循环性能,倍率性能、安全性能等方面都有明显优势。最后,为了进一步探究GPE和LE在提高动力电池电化学性能和安全性能方面的保护机制,通过XRD、SEM、XPS等手段分析了正负极电极表面副反应情况和电极材料测试前后变化情况。研究发现,基于GPE的动力电池在电极表面形成一层“保护膜”,充放电过程中该“保护膜”能够有效抑制电解质和正负极电极材料表面副反应发生,减少电池产气量并提高安全性能,同时能够减少电池活性锂损失以及活性物质损失,尤其是NCA的损失。本论文工作对提高基于NCM以及NCA等三元正极材料作为正极的商用锂离子动力电池的电化学性能和安全性能提供了很好的理论依据和实践依据。


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