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石墨负极对锂离子电池快充性能的影响

责任编辑: admin 发布时间2017-11-30    点击数:19742 次
  文章剖析了石墨负极资料对锂离子电池快充功能的影响机理,制备了不同焦类质料的一系列石墨负极资料,对其进行了粒度、偏光以及XRD等测验,并制成锂离子电池进行倍率充电以及倍率循环测验。成果标明:取向性较好的焦类质料制备的石墨资料具有较好的快充功能。用改进后的石墨负极制作了高能量密度快充锂离子电池,6C/1倍率循环测验300周的容量坚持率到达86%以上。

引言

锂离子电池自从面世以来,在多个范畴得到了广泛的使用。从现在看,锂离子电池不但遍及使用在手机、数码相机、平板电脑等电子产品中,在车载电源范畴的使用也取得了必定的突破;从未来商场对锂离子电池的需求看:快速充电型锂离子电池将成为锂离子电池的重要方向。

为了改进石墨负极资料的快充功能,本文试验制备了由不同焦类质料制成的一系列石墨负极资料,对其进行了粒度、偏光以及XRD等测验,制成锂离子电池进行倍率充电以及倍率循环测验。并对测验成果进行了剖析。

锂离子电池快速充电机理剖析以及石墨对锂电池快充的影响

以正极钴酸锂,负极石墨为例,锂离子电池充电时正负极的反响如下:

正极反响方程式:LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi+xe-

负极反响方程式:xLi+xe——+6C→LixC6

锂离子电池在充电时,钴酸锂的部分Li+脱离晶格进入电解液,然后搬迁到负极活性物质碳的晶格之中(嵌入),生成LixC化合物。

在这个进程当中,锂离子在电场和浓度梯度的作用下从正极搬迁、分散到负极,经历了在溶液中的液相分散、在石墨外表的电化学反响以及在石墨中的固相分散。

而锂在石墨内部的固相分散系数相对较小(通常情况下只要约为10-10cm2.s-1),这使锂在石墨内部的固相分散简单成为整个电极反响的控制进程。因而,改进石墨资料,进步锂在石墨中的固相分散,可以有用下降电池的极化与析锂的危险,提高锂离子电池的快充功能。

石墨的制备

不同焦类质料人工石墨的制备:别离选取不同焦类质料a,b,c,通过粉粹、过筛处理后,在2800℃温度下进行高温石墨化处理,升温速度:15℃/min,恒温时间:5h,高温处理后的资料过筛250目筛网,得到人工石墨A、B、C。不同人工石墨资料的理化指标见表1。

扣电拼装

取CR2016类型扣式电池壳,在正极壳中滴加电解液,再顺次放入负极片、隔阂(在负极片、隔阂上别离滴加电解液)、处理好的锂片,泡沫镍、不锈钢片,盖上负极壳将电池封口,制成CR2016类型扣式电池。

全电池拼装

将质量比为96.5:1.5:2的钴酸锂、PVDF、导电剂碳黑SuperP与溶剂NMP混匀后,涂覆在16μm厚的铝箔上;将质量比为96:3:1的人工石墨、粘结剂(羧甲基纤维素钠CMC、丁苯橡胶SBR=1:1)和导电剂碳黑SuperP与溶剂去离子水混匀后,涂覆在10μm厚的铜箔上。涂覆好的正、负极片经制片、卷绕、枯燥、注液、封口及化成、分容等工序,制成554065型软包锂离子电池。

成果与评论

资料粉体测验

(1)不同焦类质料的偏光测验三种不同的焦类质料a,b,c偏光测验的图片如图1——图3。

图1对应质料a的偏光相片,偏光显现质料a以光学各向同性结构为主,取向性好;

图2对应质料b的偏光相片,成果显现质料b以镶嵌型光学结构为主,取向性较好;

图3对应质料c的偏光相片,成果显现其以流线型和流域性结构为主,取向性较差。

三个质料的取向性比照:a的取向性最好,b其次,c的取向性最差。

(2)石墨XRD测验

图4是不同质料、相同制备工艺制成的三种人工石墨A、B、C的XRD图谱,由图4可知:A、B、C三种资料的主峰方位根本相同,均坐落26°2θ角邻近,阐明通过高温石墨化处理后的A、B、C三种资料形成了石墨晶体的六方晶型结构。

表2是不同质料制备人工石墨的XRD结构数据,由数据可知:A、B、C三种资料的D002值顺次削减,阐明三种资料的石墨化程度顺次升高;I004/I110值顺次升高,阐明三种资料的取向性顺次变差。这与质料的偏光测验成果是共同的。取向性好的资料嵌锂的速度更快。

扣电系统下石墨资料的嵌锂功能

测验条件:恒流恒压放电,放电电流:0.2C/0.5C/1C/2C截止电流:0.005C;恒流充电:0.2C;电压规模:5mV——1.5V,比较恒流放电部分的容量。

在扣电系统下,对电极为金属锂,放电工步对应的是嵌锂工步。图5为不同质料人工石墨的在大电流(2C)下的嵌锂曲线图。从曲线图上可以看出:A的嵌锂平台最高。由XRD数据可知A的各项同性功能较好。

资料的各项同性功能好,则在快速充电时锂离子可以从各个方面嵌入到石墨层间,有利于锂离子的快速充电。

全电池倍率循环功能

测验条件:恒流恒压充电,充电电流:6C,截止电压:4.35V,截止电流:0.05C;恒流放电,放电电流;1C,截止电压:3.0V。

图6为不同质料人工石墨倍率循环曲线图。在6C/1C测验条件下,A资料的300周容量坚持率为86.45%,倍率循环功能体现最好。

锂离子电池在循环的进程中随同有SEI膜的破损/修正以及电解液的耗费,因而随着循环的进行锂离子电池嵌锂的极化会有所增加。

在大电流充电时,A资料因为嵌锂速度会较快,大电流充电时的极化相对较小,在电池循环进程中大倍率充电时可以更好的防止因为极化而发生的析锂危险。

结束语

本文剖析了石墨负极资料对锂离子电池快充功能的影响机理,制作了不同焦类质料的一系列石墨类负极资料,对其进行了粒度、偏光以及XRD等测验,并制成锂离子电池进行倍率充电以及倍率循环测验。成果标明:

(1)不同焦类质料制备的石墨资料取向性有差异,相同的制备工艺,取向性较好的焦类质料制备的石墨资料的取向性也较好;

(2)对石墨资料的XRD结构测验标明:资料本身的结构影响了资料的快充功能,在粒度相同的情况下,取向性较好的石墨资料快充功能相对更好一些。


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