【摘 要】
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发展具有更高量密度的锂离子电池是动力电池发展的重要方向。石墨材料是锂离子电池最常用的商业化负极材料,是组成锂离子电池的三大关键材料之一。然而,石墨材料的理论比容量较低(372 m Ah/g),不能满足下一代高能量密度锂离子电池的需求。硅基负极材料具有高比容量和低电压平台,具有作为高能量密度锂离子电池负极材料的潜力。然而,硅基负极材料导电性较差,体积效应严重,和容量快速衰减等缺陷阻碍了其大规模的应用
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发展具有更高量密度的锂离子电池是动力电池发展的重要方向。石墨材料是锂离子电池最常用的商业化负极材料,是组成锂离子电池的三大关键材料之一。然而,石墨材料的理论比容量较低(372 m Ah/g),不能满足下一代高能量密度锂离子电池的需求。硅基负极材料具有高比容量和低电压平台,具有作为高能量密度锂离子电池负极材料的潜力。然而,硅基负极材料导电性较差,体积效应严重,和容量快速衰减等缺陷阻碍了其大规模的应用。因此,将硅基材料与碳基材料结合,能够实现优势互补,形成具有循环寿命长、稳定性高和结构稳定的负极材料。本文通过将硅基材料与石墨材料进行混合,获得高比容量和电化学性能优异的复合负极材料。同时,针对硅基材料导电性能不佳和导电剂分散不好的问题,我们通过添加不同导电添加剂改善活性材料的分散性,构建导电网络以降低电极极化。最后,我们将优化的硅基/石墨负极材料与导电剂应用于软包装锂离子电池。主要工作如下:(1)研究硅基/石墨混合比例对负极材料电化学性能的影响选取硅基材料质量占比为5 wt%、10 wt%、15 wt%和20 wt%的硅基/石墨复合材料,作为锂离子电池负极材料进行电化学性能探究。实验结果表明:混合过程未对硅基材料和石墨材料的晶体结构产生破坏,当硅基材料添加比例为5 wt%时,材料具有最佳的电化学性能。在0.5C倍率下,循环200次后放电比容量为369.3 m Ah/g;在5C倍率下,放电比容量为111.7 m Ah/g,高于其它含硅比例的样品。(2)不同导电剂对5 wt%比例硅基/石墨负极材料电化学性能的影响研究选取导电炭黑Super-P(SP)、氧化科琴黑(KBO)、碳纳米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)作为导电剂应用于(1)中5 wt%比例硅基/石墨负极材料。电化学测试表明:KBO为导电剂时电化学性能最好,0.5 C倍率下循环200圈后放电比容量达到407.1 m Ah/g,在5 C的充放电倍率下放电比容量为157.2 m Ah/g,容量保持率为37.4%,优于其他实验组。(3)硅基/石墨负极材料软包装锂离子电池性能研究以三元镍钴锰层状氧化物为正极,硅基/石墨复合材料为负极,制作SP0、SP5、KBO5、CNT/GO5、KBO/CNT/GO5五组524482型软包装锂离子电池。软包电池设计容量为2 Ah,实际发挥容量均达到设计值,其中CNT/GO5样品的首次库伦效率为75.5%,经过350次循环容量保持率为73.9%,综合性能优于其它实验组。电池拆解分析表明,CNT/GO5样品循环后含硅复合负极极片保持完整,卷绕膨胀率、半电膨胀率和满电膨胀率分别为18%、36%和48%,均低于其它实验组。安全测试(挤压、穿刺、短路和过充)结果表明,硅基/石墨负极材料可以提高软包装锂离子电池的安全性能。
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