石墨负极低温性能影响因素及改进研究

论文摘要

锂离子电池具有高比功率、高比能量等优点,而广泛应用于军事、民用领域。但在特殊低温环境中,由于石墨负极性能恶化导致锂离子电池性能满足不了实际要求。本论文首先采用常规电解液（1 mol/L, LiPF6, VEC: VDEC= 1: 1）对石墨材料进行常低温下的恒流充放电和交流阻抗测试。结果表明,随着温度降低,嵌锂比容量下降较大,-10℃时嵌锂比容量只有83.2 mAh/g。在不同温度下,石墨的嵌锂比容量和脱锂比容量基本一致,所以低温下循环时其可逆比容量主要是由嵌锂比容量决定。温度降低时Rct（界面电荷转移阻抗）和Re（与电解液的Li+扩散阻抗相关）急剧增大是影响石墨低温性能的主要因素,而且Rct的影响程度更大于Re。虽然Rsei（Li+在SEI膜中的扩散阻抗）在低温下的数值是最小的,但Rsei、Rct不是独立变化的。其次,本文设计、配制了复合电解液,并测试了石墨负极在其中的性能。研究发现,复合电解液可以有效改善SEI膜的组成和结构,提高了石墨负极与电解液的相容性,使得石墨负极在室温时的首次可逆比容量提高到334 mAhg-1。采用复合电解液后,石墨在-10℃的可逆比容量达到了174.8 mAhg-1,提高较大,但在-20℃时可逆比容量仍然偏低。这说明单一采用复合电解液还不能完全解决石墨的低温性能。最后本文拟采用Li4Ti5O12包覆石墨（LTO-G）的方法来改善石墨负极的界面性能并提高低温性能。研究发现,采用原位聚合法时Li4Ti5O12是以颗粒态附着在石墨表面的,使得石墨表面形成一种较复杂的复合界面。当反应温度为60℃时,采用逐滴加入Ti（OC4H9）4的方式即可获得性能最佳的6#-LTO-G,此时包覆层Li4Ti5O12颗粒结晶度较高、尺寸较大。经过交流阻抗和循环伏安测试,6#-LTO-G的锂离子扩散系数最大,而且其界面Li+扩散阻抗和异相界面电荷转移阻抗均相比与原始石墨均有所下降。在常规电解液中,6#-LTO-G常温时的首次可逆比容量达到323.2 mAhg-1;在-10℃,可逆比容量达到171.8 mAhg-1,相比于包覆前提高了近一倍。但是在-20℃时,6#-LTO-G的可逆比容量只有29.2 mAhg-1,表明还需针对Li4Ti5O12包覆石墨做进一步的研究。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 锂离子电池的发展历史
• 1.1.2 锂离子电池工作原理
• 1.1.3 锂离子电池的优缺点
• 1.2 锂离子电池低温性能研究进展
• 1.2.1 负极材料低温性能改善研究
• 1.2.2 低温电解液研究
• 1.3 本论文研究的意义及内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 实验设计与分析测试方法
• 2.1 实验设计思路
• 2.2 实验设计方案
• 2.3 实验药品与仪器
• 2.4 实验过程
• 2.4.1 溶液法制备LTO-G
• 2.4.2 低温电解液的配置
• 2.4.3 极片制备
• 2.4.4 模拟电池测试
• 2.5 分析测试方法
• 2.5.1 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.5.2 高分辨透射电子显微镜分析（HRTEM）
• 2.5.3 X射线衍射分析（XRD）
• 2.5.4 恒流充放电测试
• 2.5.5 循环伏安测试（CV）
• 2.5.6 交流阻抗测试（EIS）
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 石墨负极低温特性及其影响因素研究
• 3.1.1 常规电解液中石墨负极的低温特性及其作用机理
• 3.1.2 低温电解液中石墨负极的低温特性及其作用机理
• 4Ti₅0₁₂包覆石墨工艺及性能研究'>3.2.Li₄Ti₅0₁₂包覆石墨工艺及性能研究
• 3.2.1 包覆方法的设计
• 3.2.2 原料添加次序对LTO-G性能的影响
• 3.2.3 反应温度对包覆的影响
• 3.2.4 最佳包覆工艺下的LTO-G室温电性能研究
• 3.2.5 最佳制备工艺下的LTO-G低温电性能研究
• 第四章 结论
• 第五章 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果