富锂锰基材料锂离子动力电池的常温电化学性能与安全性能研究

摘要

本论文以富锂锰基材料为正极材料,以MCMB为负极材料,以铝塑膜为外壳,采用叠片工艺制备了额定容量为5Ah的锂离子动力电池,研究了正极压实密度及电压范围等电池工艺对电池的性能的影响规律;通过改变正极面密度、导电剂含量、正负极容量匹配比及电解液来优化富锂锰基锂离子电池的倍率性能;并对电池进行安全测试。
　　研究结果表明:电池的倍率性能随着正极压实密度的增大先改善后降低。当正极压实密度为3.0g/cm3时,电池倍率放电性能最好,10C放电容量仍为1C放电容量的82.9％;在25℃、2.75-4.2V下,1C循环性能最好,500次循环后,其容量保持率仍为101.3%。
　　电池在2.75-4.2V、2.75-4.3V、2.75-4.4V、2.75-4.5V、2.75-4.6V下0.1C化成,首次不可逆容量损失分别为11.63%、17.21%、22.91%、26.62%、27.38%;在2.75-4.2V、2.75-4.3V、2.75-4.4V下1C1100次循环后容量保持率仍分别为92.6%、97.9%、88.8%,但在2.75-4.5V下1C500次循环后,容量保持率仅为60.9%;在2.75-4.6V下1C100次循环后,容量保持率仅为52.9%。
　　富锂锰基锂离子电池的倍率性能随着正极面密度(360、320、280、240g/m2)的减小而改善。当正极面密度为240g/m2时;电池倍率放电性能最好,3C、5C、8C、10C放电容量分别为1C放电容量94.9%、93.5%、82.3%、81.7%;在25℃、2.75-4.2V下,1C循环800次后,容量保持率仍为108.1%;1C充5C放循环590次后,容量保持率为106.6%。
　　富锂锰基锂离子电池的倍率性能随着正极导电剂的含量(2%、4%、6%、8%)的增大先改善后变差;当导电剂的含量为4%时,电池的倍率放电性能最佳,3C、5C、8C、10C放电容量分别为1C放电容量93.3%、91.3%、89.1%、83.4%;在25℃、2.75-4.2V下,1C充5C放循环600次后,容量保持率为106.5%。
　　富锂锰基锂离子电池的倍率性能随着正负极容量匹配比N/P(1.5、1.3、1.1)的减小而改善,但改变不明显。当N/P为1.1时,电池的倍率放电性能最好,3C、5C、8C、10C放电容量分别为1C放电容量89.6%、86.5%、84.6%、84.0%;在25℃、2.75-4.2V下,1C充5C放循环1200次后,容量保持率仍为116.6%;
　　采用电解液B(电导率11.42mS/cm)的电池放电容量高而且大倍率放电性能更好,采用电解液B的电池3C、5C、8C、10C放电容量分别为1C放电容量的91.2%、89.0%、88.7%、88.3%;1C充5C放1000次循环后,容量保持率为100.4%。
　　改善电池倍率性能的优化工艺条件为:正极面密度为240g/m2,正极导电剂的含量为4%,正负极容量匹配比N/P为1.1,采用电解液B。优化后电池3C、5C、8C、10C放电容量分别为1C放电容量96.2%、94.5%、93.4%、92.1%,1C956次循环后,容量保持率仍为104.9%;在25℃、2.75-4.2V下,1C充5C放循环1000次后,容量保持率仍为99.5%,显示出很好的大倍率循环性能。
　　富锂锰基锂离子电池在过充、外部短路、自由跌落、针刺、重物冲击及热冲击等测试下,均未发生起火爆炸现象,达到国家安全标准。

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英文摘要

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 锂离子电池的工作原理及结构

1.3 锂离子电池的特点及应用

1.4 锂离子动力电池正极材料的研究进展

1.5 富锂锰基正极材料的研究现状

1.6 锂离子电池正极材料电压范围的研究进展

1.7 锂离子电池倍率性能的影响因素研究进展

1.8 本论文的选题意义与内容

第二章 实验设备及方法

2.1 原料与试剂

2.2 实验仪器与设备

2.3 叠片型软包锂离子电池的制作

2.4 电池性能测试与分析

第三章 电池工艺对富锂锰基锂离子电池性能的影响

3.1 正极不同压实密度对电池性能的影响

3.2 充电上限电压对富锂锰基锂离子电池性能的影响

3.3 本章小结

第四章 富锂锰基锂离子电池的倍率性能改进

4.1 正极不同面密度对电池倍率性能的影响

4.2 导电剂用量对电池倍率性能的影响

4.3 正、负极匹配比对倍率性能的影响

4.4 电解液对电池倍率性能的影响

4.5 优化后的富锂锰基锂离子电池的性能

4.6 本章小结

第五章 富锂锰基锂离子电池安全性能研究

5.1 富锂锰基锂离子电池安全性能测试

5.2 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

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