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高功率锂银电池电化学行为研究

作　者: 张栋
导　师: 张存中
学　校: 北京理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 锂银电池双电解质有机电解质 Celgard隔膜功率密度
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

电池，作为一种储能装置，人们在不断追求其更高的能量密度、更高的功率密度和更高的安全性能。目前，在市场中被广泛推崇和应用的摇椅式锂离子电池在性能提升上已经初步显现出瓶颈，因此，亟需新材料、新结构等来取得突破。本文研究的锂银电池—双电解质锂银电池、有机电解质锂银电池，即是两种较传统锂离子电池的能量密度和功率密度都要高的新型电池体系。针对双电解质锂银电池，本文首先探索出了阻水性好、导电性高、对碱稳定的有机电解质。即以交流阻抗法，研究测试了以1M LiClO4为溶质、PC、DMC、DEC三种溶剂单独使用和混合使用时的电解质电导率，并以此选择电导率最高的1M LiClO4PC/DMC为双电解质锂银电池有机相的电解质。以循环伏安、计时电位等电化学方法研究了双电解质锂银电池正极的电化学性能，主要考察了OH^-、Li⁺、ClO₄^-等重要离子对正极材料电化学动力学行为以及交换电流密度的影响。研究结果表明，碱度增加OH^-、Li⁺、ClO₄^-不会对正极的氧化还原产物产生影响，但会对其氧化或还原电势有一定幅度的影响。而通过Tafel曲线，我们得知了正极材料Ag2O/OH^-的交换电流密度为j0=10mA/cm²，表明在本研究的碱性水溶液条件下正极氧化还原电对为可逆电对，具备大倍率性能，结合锂负极的高交换电流密度特性，为双电解质锂银电池的高功率特性奠定了必要的电化学条件。本文还研究了Celgard隔膜的电化学阻抗行为和化学稳定性。电化学阻抗的测试实验数据表明，Celgard隔膜的面积比电阻（ASI）为5.6Ω/cm²，远小于超级锂离子导通玻璃膜（LISICON）的ASI（449.6Ω/cm²），这在一定程度上保障了双电解质锂银电池的高功率特性。通过进一步的IR和SEM检测，我们发现Celgard表现出了良好的化学稳定性。充放电研究结果证实了双电解质锂银电池具有高能量密度和高功率密度的性能，分别达到650Wh/kg和915W/kg，能量密度明显高于锌银电池和常规锂离子电池，功率密度则明显高于采用LISICON为隔膜的锂电池系列。但在循环寿命上，因为水分子的渗透，电池并没有表现出良好的循环性能。本文还探索了有机电解质锂银电池，研究结果表明这种电池具有良好的功率特性，同时其容量达到近300mAh/g，有两个放电平台，这点类似于锌银电池。然而该电池的循环性能依然不够理想。最后，分别对两种锂银电池的优缺点进行了总结，指出两种电池今后可能的研究方向和改进方法，并指出其作为激活电池可能在航天航空、军事等领域的发展前景，认为如果两者的循环性能有大幅提升，则能有更广阔的发展前景。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-28
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 锂空气电池研究进展  12-23
    1.2.1 有机体系锂空气电池  13-17
    1.2.2 有机-水双电解质体系锂空气电池  17-19
    1.2.3 水体系锂空气电池  19
    1.2.4 离子液体体系锂空气电池  19-20
    1.2.5 全固态体系锂空气电池  20-22
    1.2.6 锂-空气-超级电容电池  22-23
    1.2.7 小结  23
  1.3 锌银电池概况  23-24
  1.4 本课题的选题依据、主要研究内容和创新点  24-28
    1.4.1 选题依据  24-26
    1.4.2 主要研究内容  26
    1.4.3 主要创新点  26-28
第2章实验技术与仪器  28-36
  2.1 实验试剂及材料  28
  2.2 实验仪器  28-29
  2.3 电极制备与电池组装  29-31
    2.3.1 正极活性物质的制备  29-30
    2.3.2 正极的制备  30
    2.3.3 双电解质锂银电池的组装  30
    2.3.4 有机电解质锂银电池的组装  30-31
  2.4 实验技术  31-36
    2.4.1 电化学性能测试  31-34
    2.4.2 材料表征  34-36
第3章双电解质锂银电池电解质及其正极的研究  36-46
  3.1 电解质的选择  36-39
    3.1.1 有机溶剂的选择  36-37
    3.1.2 锂盐的选择  37-39
  3.2 正极的电化学行为研究  39-45
    3.2.1 循环伏安测试  39-42
    3.2.2 计时电位测试  42-45
  3.3 本章小结  45-46
第4章双电解质锂银电池充放电性能研究  46-63
  4.1 正极材料的选择  46-47
  4.2 隔膜阻水性研究  47-49
  4.3 电解质及其隔膜稳定性研究  49-57
    4.3.1 阻抗行为研究  50-53
    4.3.2 扫描电子显微镜检测  53-55
    4.3.3 红外光谱检测  55-57
  4.4 双电解质锂银电池充放电性能研究  57-62
  4.5 本章小结  62-63
第5章有机电解质锂银电池初步探索及研究  63-72
  5.1 电化学行为测试  63-67
  5.2 充放电行为测试  67-70
  5.3 本章小结  70-72
结论  72-74
参考文献  74-84
攻读学位期间发表论文与研究成果清单  84-85
致谢  85

高功率锂银电池电化学行为研究

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