碳基导电添加剂对磷酸铁锂正极性能的影响研究

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随着新能源汽车等电池设备的大规模普及,对锂离子电池的性能要求越来越高,传统的锂离子电池已经不能够满足大功率输出的要求。锂离子电池的发展制约于正极材料,目前正极材料应用最广泛的就是磷酸铁锂(Li Fe PO4,LFP)。本文着眼于导电添加剂,以Li Fe PO4为活性物质,在炭黑(SP)导电剂的基础上引入性能优异的碳纳米管(CNTs)、石墨烯(G)导电材料,采用机械搅拌法制备了一元、二元、三元导电复合浆料并涂覆成电极。通过调控导电剂在电极中的占比以及多元复配,进而对电极的微观形貌进行观察对比,探讨导电剂对电池电化学性能的影响,为高性能导电剂在锂离子电池中的应用提供理论与实践支持。本论文具体的研究内容如下:(1)采用机械搅拌法制备了基于Li Fe PO4活性物质的SP、CNTs、G一元导电剂复合电极,探讨不同维度的导电剂以及导电剂的添加量对电池电化学性能的影响。研究发现,LFP-G具有更高的比容量和更好的循环性能,循环500圈容量依然有97.4 m Ah g-1,容量保持率为74.5%。CNTs在电极中不易分散,但是能增加锂离子扩散速率。当添加3%的G或CNTs时,电池均具有优异的电化学性能,其中,LFP-0.3CNT在1 C时的容量为163.3m Ah g-1,循环140圈后容量保持率依然有93.2%。而G的量继续增加时,电极的表面缺陷增加。对于LFP-SP电极,SP增加不能够提高电池的循环性能,但是能够减小离子扩散电阻。(2)综合不同维度的导电剂优势,采用机械搅拌法制备了基于Li Fe PO4的SP-CNT、SP-G、CNT-G二元导电复合电极,探讨二元导电网络对电池电化学性能的影响。研究发现,SP有利于CNTs在电极中的分散,但是继续提升CNTs比例时,CNTs在电极中的缠结现象严重。当电流密度从0.2C扩大到5 C时,LFP-0.3SP-0.7CNT显示了较LFP-0.3SP-0.7G低的容量保持率(53.2%),但是电池的循环性能提升,这可能得益于CNTs良好的粘结性。另外,G有利于提升电池的倍率性能,这可能是由于G优异的导电性。(3)在二元导电网络的基础上继续构建三元导电网络,采用机械搅拌法制备了基于Li Fe PO4的SP-CNT-G三元导电复合电极,探讨三元导电网络对电池电化学性能的影响。结果显示,SP-CNT-G导电网络构建了非常好的导电通路,在3S-CGxy电极中,CNTs和G在电极中具有较高的比例,导致CNTs的缠结现象严重,而G的堆叠也增加了电极的缺陷,而在5S-CGxy电极中,由于SP含量的增加,CNTs的缠结现象变少。其中,当电流密度从0.2 C扩大到5 C时,5S-CG73的容量保持率为73.5%,容量保持率最高,另外,5S-CG73在高和低的电流密度下均显示了最好的循环性能。这可能是因为在5S-CG73中,SP的含量高使得CNTs在电极中容易被分散,同时由于CNTs的粘结作用,使得电池在循环过程中的电极材料不易发生脱落,因此具有最好的循环性能。
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