氧化铝陶瓷涂层对锂离子电池性能影响的研究

摘要

安全性能是制约锂离子电池大型化发展的关键，影响锂离子电池安全性能因素有很多。陶瓷涂层具有良好的电解液浸润性和耐高温性能，是提高电池电化学性能和安全性能的一种途径。本文从锂离子电池电极的角度出发，研究成本低并与电池兼容性好的陶瓷涂层，旨在提高锂离子电池的电化学性能和安全性能。
　　本文在查阅文献的基础上，优选了工业化原料纳米氧化铝为陶瓷原料，研究了纳米氧化铝的物化性能和粘结剂的种类比例对陶瓷涂层的影响，陶瓷涂层与石墨的相容性以及对全电池电化学性能和安全性能的影响。采用了循环伏安法(CV)、交流阻抗(EIS)、恒流充放电和扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等测试表征手段，研究了陶瓷涂层理化性能及其对电池性能的影响，获得的主要结果如下:
　　1)纳米氧化铝颗粒的分散性能直接影响陶瓷涂层的均匀性。采用粒径小、分散均匀的氧化铝能够有效防止浆料团聚，油系陶瓷涂层与水系石墨负极相容性最好。高温干燥后的陶瓷涂层具有纳米级微孔，有利于电解液浸润和吸收。
　　2)陶瓷涂层中氧化铝颗粒与粘结剂比例对电池性能有重要影响。比较氧化铝颗粒与聚合物粘结剂比例分别为9∶1(AG-T1)和8∶2(AG-T2)，AG-T1的首次充放电效率为83.3％，与普通石墨负极的82.9％相当，而AG-T2的首次效率为80.4％。扣式电池循环结果表明，T1能够提高电池循环性能，T2降低电池循环性能。扣式电池的交流阻抗和循环伏安图谱表明，T1涂层与电池负极的相容性好。
　　3)吸液和保液率测试表明，陶瓷涂层有利于电解液吸收和保存。负极涂覆陶瓷涂层后，循环500次容量保持率在88.6％，相比普通电池容量保持率为85.3％。陶瓷涂层也在一定程度上提高了电池的倍率性能和低温性能。在针刺、短路、挤压、重物冲击、热箱安全实验中，陶瓷涂层电池均未出现热失控，而普通电池在针刺、重物冲击、热箱试验中均起火爆炸，说明陶瓷涂层能够提高电池的安全性能。陶瓷涂层电池在循环300次后电池保持较好的安全性能，但没有通过500次循环后的安全试验。负极极片电镜表明，500次循环后陶瓷涂层出现剥离，这是造成安全性能下降的主要原因。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池结构

1．2．2 锂离子电池工作原理

1．3 锂离子电池安全性

1．3．1 锂离子电池安全隐患来源

1．3．2 锂离子电池各组分热行为

1．3．3 锂离子电池热失控

1．4 锂离子电池安全控制

1．4．1 电池安全性设计

1．4．2 正极材料安全性

1．4．3 负极材料安全性

1．4．4 电解液的选择

1．4．5 陶瓷隔膜在电池中的应用

1．5 课题研究内容及意义

第二章 实验原料、设备及实验方法

2．1 引言

2．2 主要实验原料

2．3 主要实验仪器

2．4 主要研究方法

2．4．1 材料物化性能分析

2．4．2 电池制作

2．4．3 电化学性能测试

2．4．4 安全性能测试

第三章 氧化铝陶瓷涂层与石墨负极相容性研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 负极制作

3．2．2 陶瓷材料与极片表征

3．2．3 电化学性能测试

3．3 氧化铝及陶瓷涂层优化与表征

3．3．1 陶瓷材料优化选择

3．3．2 纳米氧化铝物化性能

3．3．3 陶瓷涂层与负极体系优化

3．3．4 负极结构表征

3．4 电化学性能研究

3．4．1 扣式电池首次库伦效率

3．4．2 扣式电池循环性能

3．4．3 扣式电池交流阻抗测试

3．4．4 扣式电池循环伏安测试

3．5 本章小结

第四章 陶瓷涂层与LiNi13／3Co1／3Mn1／3O2／AG全电池相容性研究

4．1 引言

4．2 试验

4．2．1 全电池制备

4．2．2 电池吸液与保液

4．2．3 电池高低温测试

4．2．4 电池循环与倍率性能测试

4．2．5 电池安全性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 电池吸液与保液能力测试分析

4．3．2 电池高低温性能测试分析

4．3．3 电池自放电性能测试分析

4．3．4 电池循环性能测试分析

4．3．5 电池倍率性能测试分析

4．3．6 电池安全性能测试分析

4．3．7 循环对陶瓷涂层电池影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 论文结论

5．2 论文展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢