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LiFePO_4电池关键工艺及性能研究

作　者: 柯昌春
导　师: 李劼；张治安
学　校: 中南大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 锂离子电池 LiFePO4 化成制度碳纳米管安全性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

LiFePO4电池由于其对环境友好、原材料来源丰富、比容量高、循环性能及安全性能好等显著特点,而具有良好的发展前景,目前已在交通运输、移动通讯和信息技术等领域得到了广泛应用,由于LiFePO4电池正极材料本身电导率低限制了其发展。当前对LiFePO4电池的研究主要集中在对LiFePO4材料制备及改性的研究上,而对LiFePO4电池关键工艺及其性能的研究却鲜见报道。本论文选择对LiFePO4电池关键工艺及其性能进行了研究,首先研究了LiFePO4电池制作过程中正极材料的优选,得到一种综合性能优良的LiFePO4材料,然后用这种材料制作LiFePO4电池,并对LiFePO4电池的化成制度进行研究,得到一种适用于LiFePO4电池的化成制度,以此化成制度对电池进行化成后,分别研究了不同组分粘结剂、导电剂对LiFePO4电池性能的影响,并开发研究了一种特殊碳材料碳纳米管用作LiFePO4电池的导电剂,在以上研究的基础上,制作并较系统地研究了LiFePO4电池的安全性能。获得以下结论：(1)LiFePO4材料对LiFePO4电池性能的影响的研究。研究发现样品B的LiFePO4的加工性能虽然略差,但其电化学性能更优异,放电容量达到124.16mAh/g；倍率性能较好,1C／0.1C容量比率为94.5%；循环性能良好,100次循环容量保持率为94.6%；并对两种样品做了循环伏安、交流阻抗测试,进一步验证了样品B的优良性能,最终确定了样品B为本论文制作研究LiFePO4电池的正极材料。(2)不同化成制度对LiFePO4电池性能的影响的研究。研究发现按照方案2化成后的LiFeP04电池平均每100次循环容量衰减率为7.93%,低于方案1的8.32%,方案2的化成制度更有利于LiFePO4电池性能的稳定。(3)不同粘结剂对LiFePO4电池性能的影响的研究。选择5种性能优良的粘结剂优化组合成五组粘结剂体系S1、S2、S3、Y1和Y2,研究发现Y2组合的LiFePO4电池的放电容量最大达到120.1mAh／g、循环性能最佳100次循环后容量几乎没有减小、电池循环后膨胀厚度最小平均为0.11mm；S1组合的电池的平均内阻最小为100.3 mΩ；S2组合的电池的倍率性能最好,8C／1C达到90.5%。(4)不同导电剂对LiFePO4电池性能的影响的研究。选择3种性能优良的导电剂优化组合成四组导电剂体系K1、K2、X和F,研究发现F组合的电池放电容量最大达到126.1mAh／g、倍率性能最佳3C／0.5C达到95.5%、内阻最小达到140.7 mΩ、100次循环后容量保持率最大达到98.9%。(5)碳纳米管用作LiFePO4电池导电剂的研究,研究发现添加碳纳米管的极片能形成完美的导电网络、压实密度平均增大5%左右,电池首次放电克容量增大5.8%；倍率性能得到提高,6C／0.5C达到84.8%；循环性能得到较大改善,120次循环后电池的容量几乎没有衰减；电池的内阻也得到改善、界面阻抗小于常用导电剂电池的界面阻抗；120次循环后LiFePO4材料结构没有发生变化,而常用导电剂电池LiFePO4的结构发生了变化。(6)LiFePO4电池的安全性能的研究。研究发现,LiFePO4电池在撞击、穿刺、过充等十分恶劣的条件下,未发生爆炸起火现象。穿刺测试后,5min内电池表面温度达到最高为93℃,2min后电池电压基本降为0V；短路测试后,大约7min后,电池表面温度达到最高温度90℃,3min后电压基本降为0V。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-12
第一章研究背景  12-17
  1.1 引言  12-13
  1.2 锂离子电池工作原理  13-14
  1.3 锂离子电池的优点及应用  14-15
    1.3.1 锂离子电池的优点  14-15
    1.3.2 锂离子电池的应用  15
  1.4 课题研究的目的与意义  15-17
第二章文献综述  17-28
  2.1 引言  17
  2.2 磷酸铁锂正极材料的研究进展  17-22
    2.2.1 晶体结构特点及其分析  18-19
    2.2.2 主要制备技术及其研究进展  19-21
    2.2.3 磷酸铁锂的改性研究  21-22
  2.3 锂离子电池负极材料的研究现状  22
  2.4 锂离子电池电解液的研究现状  22-23
  2.5 磷酸铁锂电池的制作工艺  23
  2.6 锂离子电池用导电剂的研究现状  23-25
  2.7 锂离子电池用粘结剂的研究现状  25-26
  2.8 LiFePO_4电池工程化制造的难点  26-27
  2.9 本论文研究的内容与方案  27-28
第三章实验原料、设备及方法  28-36
  3.1 实验主要原料  28
  3.2 实验主要设备  28-29
  3.3 主要研究方法  29-36
    3.3.1 电池的制作  29-31
    3.3.2 材料的物化性能表征  31-33
    3.3.3 电池的电化学检测  33-36
第四章 LiFePO_4电池正极材料的性能研究及选择  36-44
  4.1 引言  36
  4.2 实验  36-38
    4.2.1 LiFePO_4样品的物化性能研究  36-37
    4.2.2 LiFePO_4实验电池的制作  37
    4.2.3 LiFePO_4样品的电化学性能测试  37-38
  4.3 LiFePO_4样品的结构形貌和物理化学性能  38-40
    4.3.1 LiFePO_4样品的SEM形貌分析  38-39
    4.3.2 LiFePO_4样品的XRD图  39
    4.3.3 LiFePO_4样品的粒径及比表面积  39
    4.3.4 LiFePO_4样品的可加工性能研究  39-40
  4.4 LiFePO_4样品的电化学性能  40-43
  4.5 本章小结  43-44
第五章粘结剂对LiFePO_4电池性能的影响  44-55
  5.1 引言  44
  5.2 实验  44-46
    5.2.1 化成制度的制定  44-45
    5.2.2 LiFePO_4/Li半电池的组装与电化学性能测试  45-46
    5.2.3 063048 型LiFePO_4全电池的组装与电化学性能测试  46
  5.3 结论与讨论  46-54
    5.3.1 化成制度的优选  46-47
    5.3.2. 粘结剂对磷酸铁锂电池性能的影响  47-54
  5.4 本章小结  54-55
第六章导电剂对LiFePO_4电池性能的影响  55-72
  6.1 引言  55-56
  6.2 实验  56
    6.2.1 LiFePO_4/Li半电池的组装与电化学性能测试  56
    6.2.2 063048 型LiFePO_4全电池的组装与电化学性能测试  56
    6.2.3 LiFePO_4电池的安全性能研究  56
  6.3 结果与讨论  56-70
    6.3.1 导电剂对磷酸铁锂电池性能的影响  56-62
    6.3.2 碳纳米管用作磷酸铁锂电池导电剂的研究  62-69
    6.3.3 磷酸铁锂电池的安全性能研究  69-70
  6.4 本章小结  70-72
第七章结论与展望  72-75
  7.1 结论  72-73
  7.2 展望  73-75
参考文献  75-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间主要研究成果  83

LiFePO_4电池关键工艺及性能研究

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