【摘要】：鋰離子二次電池作為一種綠色高效的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是目前能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn),鈷酸鋰(LiCoO_2)和磷酸鐵鋰(LiFePO_4)是具有很高應(yīng)用價(jià)值的鋰電池正極材料,其中LiCoO_2憑借其較高的充放電容量和優(yōu)異的低溫性能在商用鋰電池中得到廣泛應(yīng)用,而LiFePO_4憑借其熱性能和化學(xué)性能穩(wěn)定、綠色安全等優(yōu)點(diǎn)成為一種發(fā)展迅猛的商用鋰電池正極材料。根據(jù)目前鋰電池的制備工藝,正極活性材料與集流極金屬之間的連接方式為粘接,這會(huì)導(dǎo)致連接界面處存在較大的接觸電阻,降低鋰電池的性能。針對(duì)這一問(wèn)題本課題提出通過(guò)原位生長(zhǎng)的方式在金屬基板表面直接生長(zhǎng)LiCoO_2和LiFePO_4正極材料,實(shí)現(xiàn)正極材料與金屬基板之間的原子鍵合,進(jìn)而提高鋰電池的性能。利用熔鹽法在Pt基體表面生長(zhǎng)LiCoO_2晶體層并對(duì)連接界面進(jìn)行表征。通過(guò)在不同基體表面的生長(zhǎng)試驗(yàn),確定Pt為最佳基體材料選擇。利用熔鹽法制備出的LiCoO_2晶體層為納米尺度的盤狀結(jié)構(gòu),厚度在2μm左右,隨后探究保溫溫度、保溫時(shí)間、退火溫度等工藝參數(shù)對(duì)LiCoO_2晶體層生長(zhǎng)的影響,通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)分析、X射線衍射(XRD)分析、透射電子顯微鏡(TEM)分析、能譜(EDS)分析等手段,確定500℃下保溫3h為最佳制備工藝以及700℃下保溫1h為最佳退火工藝。利用聚焦離子束(FIB)制樣以及TEM和超級(jí)能譜分析,確定LiCoO_2晶體層是直接生長(zhǎng)在Pt基板上的,通過(guò)原位生長(zhǎng)的工藝方法實(shí)現(xiàn)了兩種材料之間的無(wú)縫連接。對(duì)LiCoO_2盤狀晶體生長(zhǎng)取向的分析表明晶體的側(cè)面主要由平行于a軸的晶面組成,晶體的上下表面主要由平行于b軸的晶面組成,LiCoO_2晶體的這種生長(zhǎng)方式對(duì)于Li+的迅速嵌脫是很有利的。同時(shí)利用熔鹽法成功制備出納米棒狀LiCoO_2晶體,以探究不同形貌結(jié)構(gòu)對(duì)LiCoO_2正極材料電化學(xué)性能的影響。利用熔鹽法在SUS316不銹鋼基體表面生長(zhǎng)LiFePO_4晶體層并對(duì)連接界面進(jìn)行表征。在基體表面生長(zhǎng)出的LiFePO_4晶體為多面體塊狀結(jié)構(gòu),晶體長(zhǎng)度方向的尺寸為700nm左右,晶體層的厚度為8μm左右。隨后探究了保溫溫度、保溫時(shí)間以及溶質(zhì)濃度等工藝參數(shù)對(duì)LiFePO_4晶體生長(zhǎng)的影響,通過(guò)多種分析測(cè)試方法確定了50mol%濃度下800℃保溫0h為最佳制備工藝。膠帶剝離試驗(yàn)和SEM觀測(cè)認(rèn)為在不銹鋼基體表面直接生長(zhǎng)出了LiFePO_4晶體層,實(shí)現(xiàn)了兩種材料之間的無(wú)縫連接。通過(guò)面角分析和XRD分析確定LiFePO_4晶體的表面主要由{100}、{110}和{201}晶面族組成,晶體的生長(zhǎng)具有特定的取向。同時(shí)利用熔鹽法制備出球形LiFePO_4晶體,以探究不同的形貌結(jié)構(gòu)對(duì)LiFePO_4正極材料電化學(xué)性能的影響。對(duì)LiCoO_2和LiFePO_4正極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行表征。分別以盤狀LiCoO_2粉末和極片、納米棒狀LiCoO_2粉末、塊狀LiFePO_4粉末和極片、球狀LiFePO_4粉末作為正極組裝鋰離子半電池。對(duì)比分析原位生長(zhǎng)的無(wú)添加劑LiCoO_2正極和傳統(tǒng)工藝制得的LiCoO_2粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)無(wú)添加劑正極具有更高的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,這主要是因?yàn)樵谶B接界面處實(shí)現(xiàn)了可靠連接,增加了界面處的導(dǎo)電性以及多次循環(huán)的穩(wěn)定性。對(duì)比分析盤狀LiCoO_2粉末正極和納米棒狀LiCoO_2粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)納米棒狀材料具有更優(yōu)越的倍率性能和更高的實(shí)際比容量,這主要是因?yàn)榧{米棒狀LiCoO_2晶體是由尺寸更小的納米顆粒組成的,使得材料具有更大的比表面積。原位生長(zhǎng)的無(wú)添加劑LiFePO_4正極無(wú)法進(jìn)行充放電循環(huán)。對(duì)比分析塊狀LiFePO_4粉末正極和球狀LiFePO_4粉末正極電化學(xué)性能的差異,發(fā)現(xiàn)兩種材料均存在一定的極化現(xiàn)象,球狀LiFePO_4粉末正極在各倍率下的實(shí)際比容量比較穩(wěn)定,其循環(huán)穩(wěn)定性要優(yōu)于塊狀LiFePO_4粉末正極。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912
【圖文】：

人類的生存和發(fā)展離不開能源，特別是在當(dāng)今社會(huì)，隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和對(duì)綠色新能源的追尋，能源研究已成為科學(xué)研究領(lǐng)域的三大熱點(diǎn)之一。目前能源研究主要包括新類型能源的開發(fā)和新能源利用方式的開發(fā)兩大方面，特別是能源利用方式的研究，最近幾年得到了迅猛發(fā)展，光熱電站、電動(dòng)汽車、柔性電池等已不再僅僅是科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)品，它們已經(jīng)逐步商業(yè)化，成為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，產(chǎn)品如圖 1-1 所示。

使得電池負(fù)極鋰增加。電子則通過(guò)外電路傳輸?shù)截?fù)極，保；放電時(shí)電池負(fù)極脫出 Li+，通過(guò)電解液嵌入正極材料中使由外電路傳輸?shù)秸龢O與 Li+復(fù)合。鋰離子二次電池的正負(fù)極些活性物質(zhì)一般為層狀或者隧道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于 電極材料在充放電循環(huán)的過(guò)程中結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，[2]，鋰離子二次電池充放電反應(yīng)原理如圖 1-2 所示

LiCoO2的結(jié)構(gòu)單元示意圖

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李淵;李紹敏;陳亮;劉恒;;鋰電池正極材料磷酸鐵鋰的研究現(xiàn)狀與展望[J];電源技術(shù);2010年09期

2 魏曉;韓高榮;;鋰離子電池正極材料研究進(jìn)展以及水熱法制備LiCoO_2超細(xì)粉體[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào);2006年01期

3 齊力,林云青,景遐斌,王佛松;草酸沉淀法合成LiCoO_2正極材料[J];功能材料;1998年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉思思;二次鋰電池鋰基負(fù)極與電解質(zhì)界面研究[D];上海交通大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 高田田;鈷酸鋰正極中添加磷酸鐵鋰改善電池過(guò)放性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 楊賽;水熱法制備鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰[D];天津大學(xué);2013年

3 方金宇;邛崍高嶺土熔鹽法制備莫來(lái)石晶須兼對(duì)其分散性的研究[D];成都理工大學(xué);2012年

4 唐瑛材;磷酸鐵鋰的碳包覆工藝及其電化學(xué)性能的研究[D];電子科技大學(xué);2012年

5 羅傳喜;新型沉淀法制備高性能磷酸鐵鋰正極材料研究[D];華南理工大學(xué);2011年

6 王向慧;鋰離子電池正極材料LiFePO_4的制備及性能改良[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2777414