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化学分散剂在LiFePO4正极中的应用研究

作　者: 屈长明
导　师: 张治安
学　校: 中南大学
专　业: 冶金工程
关键词: 锂离子电池 磷酸铁锂正极 导电剂 分散剂 纳米颗粒 团聚
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


LiFePO4电池由于其安全性良好,循环性能优越的特点,已经成为新能源汽车与大型储能电站最佳的备选电源。但是纳米颗粒的团聚对LiFePO4正极性能有重要的影响,而传统的机械分散手段已经很难制备出分散均匀的LiFePO4正极浆料。本文从化学分散剂入手,通过在制备LiFePO4正极浆料的过程中加入合适的分散剂,改变纳米颗粒表面性质,抑制正极浆料中纳米颗粒的团聚现象,制备出高性能的LiFePO4正极,并考察了浆料的分散效果和正极的电化学性能。通过对各种化学分散剂的结构及性能经行比较后,选择3种化学分散剂Triton X-100(MTriton X-100=652)、PAA(MW=130,000,固体粉末)和PAA(Mw=5000,水溶液)作为研究对象。分别从它们的电化学稳定性、分散效果及对添加后对LiFePO4正极电化学性能的影响三个方面进行研究,实验的主要结果如下：(1)使用非离子型分散剂Triton X-100在NMP溶剂中对导电炭黑SP颗粒进行预分散,预分散后SP粒径明显减小,SP导电浆料的流动性与稳定性更好。这主要是由于Triton X-100吸附在SP颗粒表面,产生空间位阻作用阻止颗粒团聚。将这种预分散的SP导电浆料作为导电剂加入LiFePO4正极时,极片的阻抗明显降低,极化更小,1C循环200次后容量保持率为93.9%,循环性能得到明显改善。(2)使用阴离子型分散剂PAA(MW=130,000,固体粉末)在NMP溶剂中对导电炭黑SP预分散,预分散后的SP颗粒尺寸更小,SP浆料黏度更低,流动性和稳定性更好。将这种预分散的SP浆料作为导电剂加入到LiFePO4正极中时,分散均匀的SP颗粒可以形成良好的导电网络,1C循环200圈后,容量保持率为94.3%,4C倍率下放电比容量为135.1mAh g-1,LiFePO4正极的电化学性能得到明显改善。(3)使用阴离子型分散剂PAA(Mw=5000,水溶液)对水系LiFePO4正极分散研究,低分子量的PAA在水中解离后吸附在LiFePO4颗粒表面可以改变其表面疏水性质,并增强其表面电势,依靠静电斥力抑制颗粒团聚,减小颗粒粒径；分散均匀的水系LiFePO4正极浆料具有更好流动性,极片烘干后表面更加平整光滑,易于加工；更小的LiFePO4粒径可以提高Li+在LiFePO4颗粒中的扩散系数,获得更好的电极过程动力学性能,增强了水系LiFePO4正极电化学反应的可逆性,改善水系LiFePO4正极的电化学性能。图43幅,表10个,参考文献85篇

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 文献综述  11-29
  1.1 引言  11
  1.2 锂离子电池概述  11-14
    1.2.1 锂离子电池工作原理及结构  12-13
    1.2.2 锂离子电池发展现状  13-14
  1.3 锂离子电池正极概述  14-20
    1.3.1 锂离子电池正极活性材料  15-18
    1.3.2 锂离子电池正极导电剂  18-20
    1.3.3 锂离子电池正极粘接剂  20
  1.4 LiFePO_4正极中的团聚问题  20-22
    1.4.1 纳米级磷酸铁锂团聚问题  21
    1.4.2 纳米导电炭黑的团聚问题  21-22
  1.5 化学分散剂在锂离子电池中的应用研究进展  22-27
    1.5.1 物理分散  22-23
    1.5.2 化学分散简介  23-24
    1.5.3 分散剂在锂离子电池中的研究现状  24-27
  1.6 本文研究的内容及意义  27-29
2 实验主要原料、设备及表征方法  29-34
  2.1 实验主要原料  29-30
  2.2 主要实验仪器  30
  2.3 主要表征方法  30-34
    2.3.1 分散性能表征  31-32
    2.3.2 电化学性能表征  32-34
3 分散剂Triton X-100对LiFePO_4电池性能的影响  34-47
  3.1 引言  34
  3.2 实验  34-36
    3.2.1 实验过程  34-35
    3.2.2 SP分散性能表征  35-36
    3.2.3 LiFePO_4正极极片电化学性能表征  36
  3.3 结果与讨论  36-45
    3.3.1 SP颗粒粒度分析  36-37
    3.3.2 SP浆料流变性质分析  37-38
    3.3.3 SP浆料稳定性质测试  38-39
    3.3.4 SP颗粒形貌  39-40
    3.3.5 LiFePO_4正极循环性能  40-41
    3.3.6 LiFePO_4正极倍率性能  41-42
    3.3.7 LiFePO_4正极EIS图谱  42-43
    3.3.8 LiFePO_4正极循环伏安曲线  43-44
    3.3.9 LiFePO_4正极极片形貌  44-45
  3.4 本章小结  45-47
4 分散剂PAA对LiFePO_4电池性能的影响  47-62
  4.1 引言  47
  4.2 实验  47-49
    4.2.1 实验过程  47-48
    4.2.2 SP分散性能表征  48-49
    4.2.3 LiFePO_4正极极片电化学性能表征  49
  4.3 结果与讨论  49-60
    4.3.1 SP颗粒粒度分析  49-50
    4.3.2 SP浆料流变性质分析  50-51
    4.3.3 SP浆料稳定性质  51-52
    4.3.4 SP颗粒形貌分析  52-53
    4.3.5 LiFePO_4正极循环性能  53-54
    4.3.6 LiFePO_4正极倍率性能  54-56
    4.3.7 LiFePO_4正极循环伏安曲线  56-57
    4.3.8 LiFePO_4正极EIS图谱  57-59
    4.3.9 LiFePO_4正极极片形貌  59-60
  4.4 本章小结  60-62
5 分散剂PAA应用于水系LiFePO_4正极研究  62-74
  5.1 引言  62
  5.2 实验  62-64
    5.2.1 实验过程  62-63
    5.2.2 水系LiFePO_4正极浆料物理性能表征  63
    5.2.3 水系LiFePO_4正极极片电化学性能表征  63
    5.2.4 锂离子在LiFePO_4材料中脱嵌动力学研究  63-64
  5.3 结果与讨论  64-71
    5.3.1 水系LiFePO_4正极循环性能  64-65
    5.3.2 水系LiFePO_4正极倍率性能  65
    5.3.3 水系LiFePO_4正极极片形貌  65-66
    5.3.4 水系LiFePO_4悬浮液流变性质分析  66-67
    5.3.5 LiFePO_4颗粒表面电势  67-68
    5.3.6 锂离子在LiFePO_4材料中的扩散系数测定  68-71
  5.4 本章小结  71-74
6 结论与展望  74-76
  6.1 论文结论  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-83
攻读学位期间主要的研究成果目录  83-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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