高性能锂离子电池电极材料及薄膜电极的研究

论文摘要

在当今信息、流通便捷的社会里，可充电锂离子电池是手提式娱乐、计算、通讯工具的重要电源。小型化和动力电池是锂离子电池的两个重要研究方向。本论文主要是研究薄膜电极，为制备微型电池开展基础研究工作，并研究开发适合做动力电池的LiMn2O4正极材料和石墨负极材料。 论文第一章一方面介绍了锂离子电池的工作原理和各种电极材料，另一方面介绍了静电喷雾沉积法制备薄膜技术（ESD），解释了ESD的工作原理并且展示了这项技术在多个研究领域中的应用。论文第二章简要介绍了实验手段，包括钮扣式锂离子电池的制作工艺和本论文涉及到的主要研究手段。 实现电池小型化要求有薄膜电极，ESD技术已被证明是一项很好的制膜技术，它设备简单，非真空沉积，膜的形貌易于控制。本研究中它被用来制备锂离子电池正极和负极薄膜。论文第三章的研究主要是关于LiCoPO4正极膜的制备和表征。LiCoPO4由于其电压高的特点（4.8V），代表了新一代正极材料；但其缺点是锂离子在其内部的扩散缓慢。它的可利用容量很低，循环性很差，尤其在使用常规的LiPF6（EC-DEC）电解液体系条件下。当原始组成中存在着过量的锂时(Li1+xCoPO4，x=0～1)，本论文研究发现热处理后可以得到LiCoPO4-Li3PO4-Co3O4三元复合成分，其中Li3PO4和Co3O4被均匀地分布到LiCoPO4基质内。我们得到了明显的在4.8V和4.9V的充放电平台，较高的容量密度和良好的循环性能。由于电池的双平台特征总是在低电阻时出现，且伴随着较高的容量，因此双平台特征的出现被推断为受锂离子扩散动力学控制的。Co3O4的存在可以提高电极的电子导电性从而增加容量，Li3PO4可以起到保护层作用，阻挡电解液（LiPF6（EC-DEC，1：1 v／v））在活性物质表面的反应，从而提高电池的循环性能。通过在LiCoPO4电极里混入乙炔黑导电剂或在电极表面覆盖一层导电剂均可不同程度的提高电池的循环性能。 论文第四章研究了海绵状多孔膜的一些特性。海绵状多孔膜是ESD技术可以制备的一项独特的形貌，作者调查了沉积参数对多孔结构的影响，包括：衬底温度、前驱液输送速率、电场强度和沉积时间。除了常用的卡比醇溶剂体系，乙二醇和丙二醇液在合适的衬底温度下也可以作为溶剂用来制备多孔膜。增加前驱液输送速率

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池的历史背景
• 1.2 锂离子电池的原理
• 1.3 锂离子电池的正极,负极,电极-电解液界面
• 1.4 静电喷雾（Electrostatic Spray Deposition）技术及其应用
• 参考文献
• 第二章 实验方法及设备
• 2.1 电池的制作
• 2.1.1 胶粘剂的配置
• 2.1.2 正极极片的制作
• 2.1.3 成品电池的装配
• 2.2 分析及测试
• 2.2.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.2.2 电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.4 X-射线能谱仪
• 2.2.5 交流阻抗谱测试及分析
• 2.2.6 循环伏安实验（CV）
• 2.2.7 充放电实验
• 2.2.8 交流磁化率实验
• 2.2.9 XAFS测试
• 4薄膜正极'>第三章 静电喷雾沉积法制备LiCoPO₄薄膜正极
• 4基三元复合薄膜电极'>3.1 以LiCoPO₄基三元复合薄膜电极
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 实验部分
• 3.1.3 讨论部分
• 3.1.4 结论
• 4薄膜电极的改进'>3.2 静电喷雾沉积法（ESD）制备LiCoPO₄薄膜电极的改进
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 实验部分
• 3.2.3 讨论部分
• 3.2.3.1 合成条件的最优化
• 4的固有特性'>3.2.3.2 最优化LiCoPO₄的固有特性
• 3.2.3.3 改善容量保持率
• 3.2.4 结论
• 参考文献
• 第四章 氧化锰基海绵状多孔薄膜的静电喷雾沉积
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 讨论部分
• 4.3.1 单独成分的醇类做溶剂制备泡沫状多孔膜
• 4.3.2 混合醇溶剂体系制备多孔膜
• 4.3.3 静电场的影响
• 4.3.4 沉积时间的影响
• 4.4 结论
• 参考文献
• 2O₄薄膜的ESD制备与表征'>第五章 LiMn₂O₄薄膜的ESD制备与表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 讨论部分
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 锂离子电池石墨负极薄膜的静电喷雾沉积（ESD）制备与表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 讨论部分
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 水热处理天然石墨做为锂电池负极材料
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.3 讨论部分
• 7.4 结论
• 参考文献
• 2O₄粉体的表面梯度掺杂改性'>第八章 LiMn₂O₄粉体的表面梯度掺杂改性
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.3 讨论部分
• 8.4 结论
• 参考文献
• 第九章 磁性AlNiCo合金粉作锂离子电池电极材料的探索
• 9.1 引言
• 9.2 实验部分
• 9.3 讨论部分
• 9.4 结论
• 参考文献
• 第十章 论文总结与展望
• 发表文章