Al-Cu-Fe准晶储锂性能及其改性研究

摘要

负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，直接决定着电池的能量密度、循环寿命等。Al理论储锂比容量最高可达2200mAh·g-1，且来源丰富，但由于超高的体积效应，严重制约着其作为负极活性材料的应用。为解决这一问题，将Al合金化是一个研究思路。Al-Cu-Fe准晶是具有特殊原子排列方式的固体有序相。本课题组前期研究表明成分相近的Al-Cu-Fe准晶态比Al-Cu-Fe晶态合金具有更高的比容量，在优化了电极制备工艺的基础上，本文研究了锂离子电池Al-Cu-Fe准晶的储锂过程，分析了导电剂对负极材料电化学性能的影响。通过机械合金化法进行了石墨与Al-Cu-Fe准晶的复合，得到的石墨/Al-Cu-Fe准晶复合材料具有优异的电化学性能。主要成果如下: 1、以Al粉为原料，对比了PVDF和CMC/SBR粘结剂对负极电化学性能的影响，确定最佳工艺配比为原料:PVDF:导电剂=8:1:1。以PVDF为粘结剂的锂离子电池首次放电比容量达774mAh·g-1，不可逆容量为42%；循环10次后，放电比容量降至97mAh·g-1。 2、采用高真空电弧熔炼制备的Al-Cu-Fe铸态合金，经热处理、高能球磨得到纯Al-Cu-Fe准晶。为排除导电剂对负极储锂过程的影响，不添加导电剂情况下，测量准晶充放电性能。结果表明准晶具有一定的储锂容量。CV测试表明：准晶在1.4V左右出现氧化峰，而还原峰电位为0.3V左右，说明准晶可以储锂。EIS测试表明：首次循环时，材料表现出较高的电荷转移电阻和Warburg阻抗。多次循环后，脱嵌锂的通道被打开，循环性能增强。XRD测试表明：Li+在首次充放电时，部分嵌入晶格中，成为结构的一部分，这也是负极部分不可逆容量产生的原因。 3、添加乙炔黑导电剂后，电荷转移电阻减小，首次放电比容量提高12%，循环稳定性大幅提高。氧化还原电位差减小表明:极化减小，有利于锂离子的嵌入/脱出。 4、通过机械合金化，碳材料包覆在Al-Cu-Fe准晶表面。与准晶相比，复合材料表现出较低的锂离子扩散迁移阻抗和Warburg阻抗，碳材料的引入增强了导电性。石墨/Al-Cu-Fe准晶复合材料首次放电比容量达540mAh·g-1，循环稳定后库伦效率达100%，充放电容量达280mAh·g-1，材料具有优异的电化学性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池负极材料研究现状

1.4 Al基负极材料

1.5 Al-Cu-Fe准晶简介

1.6 论文研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验流程

2.2 实验材料及仪器

2.3 材料制备

2.4 材料表征

2.5 电化学性能测试

第三章 Al-Cu-Fe准晶储锂行为研究

3.1 电极制备工艺的确定

3.2 Al-Cu-Fe准晶储锂研究

3.3 本章小结

第四章 Al-Cu-Fe准晶负极的改性研究

4.1 导电剂对Al-Cu-Fe准晶负极的影响

4.2 石墨/Al-Cu-Fe准晶复合材料

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢