石墨烯改性锂离子电池高镍正极的研究
锂离子电池(LIB)作为便携式电子设备的电源最初由索尼公司开发，日前已扩展应用于汽车工业和储能电站。当前锂离子电池的能量密度远低于燃料发动机，因此这些用于混合动力或纯电汽车的商业化电池的能量密度和安全性需要进一步提高。决定电池能量密度的关键要素之一是正极材料的比容量，其中高镍层状金属氧化物LiNixCoyMn1-x-yO2(NCM)具有相对较低的成本和较高的可逆容量而被认为是有发展前景的正极材料。但其结构稳定性差，在作为正极材料使用时倍率性能和循环稳定性有待进一步提高。利用具有良好导电性的石墨烯对NCM进行改性可以缓解这些问题:石墨烯可以提高高镍三元正极材料的电导率，从而促进电荷转移;同时石墨烯还可以抑制充放电循环中正极材料的体积膨胀，有效隔离电解质和高镍三元正极材料，以减少副反应的发生并增强了电极的循环稳定性。 本研究首先确定了不同导电添加剂的用量对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)电化学性能的影响。NCM811、乙炔黑和PVDF按照质量比为8∶1∶1配置浆料时在0.2C下，循环35圈后容量保持率为99.9％，该配比有利于长循环测试的稳定性。 利用硅烷偶联剂对NCM811表面进行改性使其表面带正电荷，与表面带负电的氧化石墨烯(GO)发生静电吸引得到表面包覆GO薄膜的NCM811@GO材料，热处理还原后得到NCM811@rGO。研究了不同GO添加量对NCM811形貌结构和电化学性能的影响:GO或rGO包覆后NCM811@GO和NCM811@rGO体系的材料均发生了锂镍混排严重，游离氧含量增加等不利变化。GO的包覆使其首次充放电比容量得到增加，NCM811@2GO在0.1C下首圈放电比容量为173.3mA·h·g-1。虽然包覆处理后NCM811在循环中放电比容量下降较快，但改善了材料的倍率性能。NCM811@2GO和NCM811@2rGO在0.5C下的放电容量分别为145.2mA·h·g-1，130.8mA·h·g-1，容量保持率分别为82.3％，89.2％。 研究了还原氧化石墨烯(rGO)与NCM811共混改性对正极性能的影响。不同rGO掺杂量的rGO1-NCM811材料在首圈放电比容量，库伦效率及倍率性能方面均优于NCM811原料，随掺杂量的增加，容量保持率及放电比容量逐渐增大。3rGO1-NCM811在0.1C下首圈放电比容量为194.1mA·h·g-1，库伦效率可达82.4％。0.5C下循环50圈后的放电容量为136.3mA·h·g-1。不同掺杂量的rGO1可以缓解NCM811在充放电过程中的晶格退化，减慢结构降解。2rGO-NCM811材料体系中，材料的放电比容量与原料相比均增加，且随rGO还原程度地增加，Li+扩散系数D也逐渐增大，由2.3×10-14cm2·s-1分别增加到3.0×10-14cm2·s-1和3.6×10-14cm2·s-1。
锂离子电池;高镍三元正极;石墨烯;循环稳定性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
宋怀河
2021
中文
TM912.9
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）