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钛酸锂动力电池寿命衰减研究

吴可  
【摘要】:以钛酸锂为负极的锂离子全电池具有超长的循环寿命、良好的倍率性能以及优异的安全性等独特优势。但在其产业化进程中,钛酸锂电池产气仍是导致其寿命衰减的关键问题,同时在应用过程中也存在其他影响因素导致寿命衰减。研究和分析钛酸锂电池的寿命衰减机制,对于更有效地开展钛酸锂电池的体系优化工作,进一步加快钛酸锂电池的实用化进程具有重要的理论和实际意义。在产气抑制方面,本文研究了钛酸锂负极表面成膜机制,利用钛酸锂负极材料与电解液之间的界面反应,调控电极界面反应活性位点含量及分布,优化出钛酸锂负极表面成膜反应的最佳SOC(State of Charge,荷电态)区间,实现了钝化膜优化控制,达到抑制产气、改善循环寿命的效果。该研究结果为实现工程上提高化成效率、优化化成方法提供了理论依据。研究了不同正极材料对钛酸锂电池寿命的影响,通过钴酸锂/钛酸锂和锰酸锂/钛酸锂体系电池的寿命对比,以及不同锰离子含量对钛酸锂负极钝化膜的影响研究分析,明确了钛酸锂体系下正极溶出的锰离子对负极表面钝化膜稳定性的破坏机制,为搭配高容量锰系正极材料的钛酸锂体系提供了良好的开发基础。研究了高能量密度钛酸锂电池体系中锂离子传输动力学对电池寿命的影响。通过对称电池、三电极电池、阻抗谱等相结合的电化学手段,分析了电极内部脱嵌锂过程及锂离子和电子传输动力学过程。结果表明厚电极体系电池在大电流充放电条件下循环性能下降,其原因为电极厚度增加时离子阻抗增加,并且对于钴酸锂为正极的体系,其脱锂过程为主要速控步骤。在正极中添加比表面积较大的导电剂以及提升电解液离子电导率可有效改善高能量密度电池的循环寿命。对钛酸锂电池不同循环阶段的寿命衰减劣化机制进行研究,以8Ah钛酸锂电池为研究对象,识别其循环过程中不同阶段衰减的关键因素。钛酸锂电池前期衰减较缓,主要原因为正极材料热力学不可逆衰减。后期衰减加快,主要为产气引起的动力学衰减导致。提高负极钝化膜在高温条件下的稳定性是延长钛酸锂电池循环使用寿命的关键。该研究结果为理解钛酸锂电池的电化学性能演变规律奠定了基础。


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