锂离子电池大电流放电影响因素的研究

论文摘要

锂离子电池作为一种新型清洁、可再生的二次能源,具有工作电压高、能量密度大、质量轻等优点,在手机、笔记本电脑、蓝牙耳机、MP3、数码相机等领域都得到了广泛应用。但是由于锂离子电池高倍率放电性能较差,限制了它在小型高功率电池领域的应用,目前这一领域主要被镍镉和镍氢电池所占据。为了提高锂离子电池的大电流放电能力,本文以18650圆柱锂离子电池为研究对象,从电池材料、电池设计等方面进行研究。采用恒流-恒压充放电、交流阻抗图谱等电化学测试技术对电池的大电流放电性能、循环性能、电极阻抗等电化学性能进行了分析。采用了扫描电镜（SEM）对隔膜进行表征。不同正极材料由于晶体结构、扩散系数、电子电导率不同,其对电池大电流放电性能影响也不同。扩散系数和电子电导率低的LiFePO4正极材料大电流放电性能不如其他正极材料。颗粒度小的正极材料更利于锂离子在其中的嵌入。大电流放电性能要比颗粒度相对大的材料要好。通过比较不同隔膜装配的电池的倍率放电性能发现:在结构和孔隙率等参数相同的条件下,隔膜厚度对锂离子电池大电流放电影响不大。而厚度相同,结构和孔隙率不同的隔膜,在大电流放电时性能差别比较大。孔隙率小的隔膜对锂离子的迁移的阻碍作用大,在大电流放电下易造成极化作用,产生比较明显的极化峰。在锂离子电池高倍率放电下产生的温度会对隔膜的性能大电流放电产生影响。通过极片模拟电路分析得出:当集流体电阻的影响不能忽视时,电流密度会相对集中分布在正、负极集流体引出线附近的电极表面上。合理设计的极耳引出方式,其电池的大电流放电性能得到明显提升。交流阻抗测试发现:电池在化成前正极和负极的电荷传递阻抗相差不大。根据正极和负极低频阻抗Zre和ω-1/2的关系,对所得数据进行线性拟合,求得正极活性物质和负极活性物质的离子扩散系数分别为8.84×10-10cm2/s,6.24×10-10cm2/s。交流阻抗分析结果表明,负极表面在化成过程中形成稳定的SEI膜。随着循环次数的增加,负极电荷传递阻抗也不断增大,正极电荷传递阻抗变化不大。电池容量随着循环次数增加而减少。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 功率电池的种类及特点
• 1.1.1 铅酸电池
• 1.1.2 镍镉电池
• 1.1.3 镍氢电池
• 1.1.4 锂离子电池
• 1.2 高功率锂离子电池的研究现状
• 1.2.1 新型材料的开发应用
• 1.2.2 电池性能的改进
• 1.3 高功率锂离子电池的应用领域
• 1.3.1 混合动力汽车
• 1.3.2 充电式电动工具
• 1.3.3 电动玩具
• 1.3.4 军事领域
• 1.4 选题依据及研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 原料与试剂
• 2.2 实验仪器与设备
• 2.3 18650 锂离子电池的制备及工艺流程
• 2.3.1 极片的制备
• 2.3.2 18650 电池的制备
• 2.3.3 电池的预充与压钢珠
• 2.3.4 三极耳电池的制备
• 2.4 材料物理性能分析
• 2.4.1 SEM 表面形貌分析
• 2.4.2 吸液率测试
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 电池充放电循环测试
• 2.5.2 电池内阻测
• 2.5.3 交流阻抗测试
• 2.6 电池表面温度测量
• 第3章 正极材料及电池隔膜对锂离子电池大电流放电能力的影响
• 3.1 正极活性物质对锂离子电池大电流放电性能的影响
• 3.1.1 不同正极活性物质大倍率放电性能比较
• 3.1.2 正极材料颗粒度对锂离子电池大电流放电性能的影响
• 3.2 电池隔膜对锂离子电池大电流放电性能的影响
• 3.2.1 电池隔膜的主要构成及其性质
• 3.2.2 电池隔膜对锂离子电池大电流放电性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 极耳设计对锂离子电池大电流放电性能的影响
• 4.1 极片上电流密度分布模拟
• 4.2 锂离子电池大电流放电时电池表面温度的变化
• 4.3 电池极耳设计对锂离子电池大电流放电的影响
• 4.3.1 单极耳电池和正极双极耳电池放电性能比较
• 4.3.2 正极双极耳和正负极双极耳的比较
• 4.4 双极耳电池的循环性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 高功率锂离子电池的交流阻抗分析
• 5.1 三电极电池的制作
• 5.2 电池的交流阻抗分析
• 5.2.1 锂离子电池正负极交流阻抗比较
• 5.2.2 扩散系数测试
• 5.2.3 锂离子电池容量衰减分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学位论文目录