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新型軟性導(dǎo)電碳材料提升LiFePO4材料性能

作者:中國儲能網(wǎng)新聞中心 來源:高工鋰電網(wǎng) 發(fā)布時間:2016-11-21 瀏覽:

中國儲能網(wǎng)訊:鋰離子電池被廣泛的應(yīng)用在移動電子設(shè)備和電動工具等領(lǐng)域,近年來隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,動力電池的市場需求也在迅速擴大。電動汽車、電動大巴為了保證乘客的人身和財產(chǎn)安全,因此對動力電池的安全性要求極高,特別是在發(fā)生碰撞等嚴(yán)重的問題時,因此動力電池的考核指標(biāo)中對擠壓、針刺等安全性指標(biāo)都有十分嚴(yán)格的要求。目前在所有的電池材料中,磷酸鐵鋰材料憑借著優(yōu)異的安全性能成為了動力電池的首選材料。

但是磷酸鐵鋰材料也存在著電壓低,導(dǎo)電性差等缺點,導(dǎo)致了磷酸鐵鋰的在放電過程中極化大,導(dǎo)致放電電壓降低等問題。為了改善LiFePO4的導(dǎo)電性人們從兩個方面對LiFePO4進(jìn)行了改性處理。

其中之一就是對材料進(jìn)行納米化處理,將磷酸鐵鋰顆粒納米化后,一方面提高了材料的比表面積,增大了接觸面積,提高了導(dǎo)電性,同時也減少了Li+的擴散路徑,極高了材料的倍率性能。另外一個方法就是表面包覆處理,目前較為成熟的方法是在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆一層石墨層,從而提升材料的導(dǎo)電性。

北京大學(xué)深圳研究生院的Wenju Ren等人從電極結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了研究,提出了軟性碳導(dǎo)電劑SCC的概念,軟性碳材料導(dǎo)電劑相比于硬碳導(dǎo)電劑能和活性物質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生更大的接觸面積,從而使得電流分布和Li+分布更加均勻,從而減少在充放電過程中正極材料的極化,從而顯著的提升材料的容量和倍率性能。

Wenju Ren研究了三種不同形貌的導(dǎo)電碳材料——球狀、管狀和多孔導(dǎo)電碳材料,研究了幾種碳材料的sp2/sp3鍵混合比例、晶體結(jié)構(gòu)、表面缺陷、形貌、比表面積和孔狀結(jié)構(gòu),以及這些碳材料于LFP顆粒的接觸情況。

其中孔狀結(jié)構(gòu)的碳材料具有發(fā)絲狀的形貌,并呈現(xiàn)出了非常柔軟的狀態(tài),能夠于LFP顆粒之間產(chǎn)生很大的接觸面積,這主要是由于這種碳材料含有較大的sp2鍵比例(約80%),大量的表面缺陷,較小的晶體尺寸(大約4nm),以及巨大的比表面積(>1000m2/g),因此這種材料也被稱為軟碳材料(SCC),而其他類型的碳材料則被劃分為硬碳材料(HCC)和碳納米管(CNT)。

軟碳材料由于大量的表面缺陷和巨大的比表面積,因此極大的增加了其于LFP顆粒之間的接觸面積,顯著降低了接觸阻抗,增加電極的導(dǎo)電性。

電化學(xué)測試表明,相比于采用HCC和CNT導(dǎo)電劑的極片,采用SCC導(dǎo)電劑的極片,放電電壓平臺更長,充電電壓平臺和放電電壓平臺之間的差距更小。

在0.2,0.5,1,2,5,10C倍率下,采用軟碳SCC,磷酸鐵鋰粒徑為100nm(50nm)的材料的比容量分別達(dá)到155(162) 、148(159)、139(153)、130(144)、115(125)和100(110)mAh/g,而采用硬碳HCC的磷酸鐵鋰比容量則只有155(162)、148(159)、139(153)、130(144)、115(125)、100(110)mAh/g,在10C的倍率下,采用軟碳的LFP極片比容量為96mAh/g,比采用CNT的高出了約8mAh/g,比采用硬碳的LFP極片高出26mAh/g,很明顯采用軟碳材料SCC導(dǎo)電劑的LFP極片倍率性能要明顯好于采用硬碳材料HCC和CNT導(dǎo)電劑的LFP極片,當(dāng)然這對于其他正極材料也是有效的。

在該研究中Wenju Ren對幾種典型的導(dǎo)電碳材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)軟碳材料由于與活性物質(zhì)之間有較大的接觸面積,使得在充放電過程種電流分布更加均勻,從而減少了在充放電過程中LFP電極的極化現(xiàn)象,提高了LFP材料的容量和倍率性能。并首次定義了軟碳材料SCC的概念——多孔,具有發(fā)絲狀形貌的軟性碳材料,能夠與LFP材料之間產(chǎn)生較大的接觸面積;硬碳材料HCC——具有球狀結(jié)構(gòu),與活性物質(zhì)之間呈現(xiàn)點接觸

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關(guān)鍵字:LiFePO4

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