LiFePO4/Li4Ti5O12锂离子电池体系电化学及安全性能研究

摘要

锂离子电池经过了几十年的发展，尤其是正负极材料的不断更新使其具有了强大的市场适应力和成熟的制作工艺。LiFePO4材料因低价环保的特性，作为正极材料市场占有率逐步扩大。本文以LiFePO4正极材料为基础，主要研究了石墨和Li4Ti5O12两类负极材料对于液态软包装LiFePO4电池电化学性能及安全性能的影响。
　　 (1)通过适宜工业化应用的固相烧结法制备LiFePO4材料，采用包覆与共混两种方式添加导电碳，并应用于生产线制作工艺。提出导电碳与正极活性物质的接触方式是正极电化学性能是否可以有效发挥的重点，认为导电碳粒径减小对于电池低倍率性能有提升作用，但是在一定程度上阻碍了活性物质与电解液的接触，不利于高倍率充放电。
　　 (2)以LiFePO4为正极，石墨为负极，首次自行设计并制造403562型液态软包装LiFePO4/石墨锂离子电池，通过多种工艺改进将LiFePO4电池生产的特点和难点控制在一定范围之内，采用基本统计方法探索电池工艺与电池性能的关系，探求LiFePO4/石墨锂离子电池的生产工艺与LiCoO2/石墨体系的异同点，以现有的LiCoO2/石墨锂离子电池生产工艺为基础，以改良的方式提高LiFePO4/石墨体系电池的容量密度、能量密度以及生产成品率。
　　 (3)对403562型液态软包装LiFePO4/石墨锂离子电池电化学性能进行分析，探求在实际应用中电池行为与使用诉求之间的差距，认为石墨负极材料对于电池充放电稳定性和安全性的作用具有一定的局限性。首次自行设计制造4050140型液态软包装LiFePO4/石墨锂离子电池，对电池安全性能特别是过充性能进行研究。
　　 (4)采用固相烧结法制备Li4Ti5O12材料，探求简化和低成本的Li4Ti5O12粉体生产工艺模式。首次自行设计制造4050140型液态软包装LiFePO4/Li4Ti5O12锂离子电池，研究了LiFePO4与Li4Ti5O12的配合问题以及LiFePO4/Li4Ti5O12锂离子电池的电化学性能。首次对软包装LiFePO4/Li4Ti5O12电池安全性能，特别是过充性能进行研究，并考察了负极过量率、电池隔膜类型等因素对于电池安全性能的影响。认为Li4Ti5O12合理的脱嵌锂平台位置减少了电池内部副反应的发生，有利于电池充放电稳定性，另外，Li4Ti5O12材料在脱嵌锂过程中较小的形变以及较高的锂离子扩散速率可有效避免电池在滥用条件下电极表面的锂金属电沉积现象，避免起火爆炸等热失控现象发生。