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《影響鋰離子電池高倍率充放電性能的因素_圖文》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、影響鋰離子電池高倍率充放電性能的因素由技術(shù)編輯archivel于星期四,2014-10-1613:51發(fā)表影響鋰離子電池高倍率充放性能的因素很多,包括電池設(shè)計(jì)、電極組裝、電極材料的結(jié)構(gòu)、尺寸、電極表面電阻以及電解質(zhì)的傳導(dǎo)能力和穩(wěn)定性等。為了探究其原因和機(jī)理,本文主要從正極、負(fù)極和電解質(zhì)材料三方面對它們在高倍率充放電時各自的影響因素進(jìn)行了綜述和分析,并討論了利于高倍率充放的電極和電解質(zhì)材料的發(fā)展方向。鋰離了電池具有工作電壓高、比能量大、無記憶效應(yīng)且對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦等小型電
2、器的同時,在電動車、衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機(jī)等大型電動設(shè)備方面的應(yīng)用也備受青睞美國LawrenceLiVermore國家實(shí)驗(yàn)室早在1993年就對日木SONY公司的20500型鋰離子電池進(jìn)行了全面的技術(shù)分析,考察其用于T星的口J能性⑶;我國中科院物理所也早在1994年承擔(dān)福特基金項(xiàng)目時就開始了動力型鋰離子電池的研發(fā)[4];國內(nèi)外一些知名企業(yè)進(jìn)行了動力型鋰離子電池的研制和生產(chǎn),如徳國瓦爾塔公司研發(fā)的方型鋰離子電池,容量為60Ah,比能量為115Wh/kg,日本索尼公司生產(chǎn)的高功率型鋰離子電池80%DOD的比功率高達(dá)80
3、0W/kg[5],國內(nèi)深圳的比亞迪、雷天、天津力神、河南金龍、湖南晶鑫等公司也研制生產(chǎn)出容量在10Ah以上的動力型鋰離了電池。盡管在全世界科技和工業(yè)界的共同努力下,動力型鋰離子電池的研發(fā)和生產(chǎn)已取得了心足進(jìn)展,并逐步走上了實(shí)用的軌道,但其價(jià)格較高,而且循環(huán)性能、安全性能及其高倍率充放電性能都有待于進(jìn)一步提高(如口前鋰離子電池用于屯動車時,其動力仍不能與傳統(tǒng)燃油機(jī)的動力相比,這影響著屯動車的行程、最高時速、加速性能及爬坡性能等)。為了動力型鋰離了電池更快的發(fā)展,冇必耍對英高倍率性能的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究和
4、分析,找岀根本原因。鋰離子電池的高倍率充放性能與鋰離子在電極、電解質(zhì)以及它們界而處的遷移能力息息相關(guān),一切影響鋰離子遷移速度的因素都必將影響電池高倍率充放性能。因此,木文主要從正極、負(fù)極、電解質(zhì)材料等方面綜述影響鋰離子電池高倍率充放電的因素,并深入分析產(chǎn)生這種影響的原因,指出適于高倍率充放電的電極、電解質(zhì)材料的進(jìn)一步發(fā)展方向。1負(fù)極高倍率充放性能的影響因素容量保持能力差是鋰離子電池負(fù)極在高倍率充放過程屮的最大問題,這主要與屯極材料的結(jié)構(gòu)、顆粒人小、屯極導(dǎo)屯性和屯極表面SEI膜的穩(wěn)定性等因素有關(guān)。1.1材
5、料結(jié)構(gòu)炭材料是最早研究用于鋰離子電池的負(fù)極材料,具有各種各樣的結(jié)構(gòu),這對其高倍率性能產(chǎn)生很大的影響。如石墨化屮間相瀝青炭微球的球形片層結(jié)構(gòu)利于鋰離子從球的各個方向嵌入和脫出[6],減小了鋰離子在固相中的擴(kuò)散電阻,從而捉高電極的高倍率性能,在:LC充放電時容量可達(dá)到230mAh/g[7-8];與此相似,具有輻射狀結(jié)構(gòu)的碳纖維也被認(rèn)為是有利于鋰離子擴(kuò)散的負(fù)極材料[9];而二維片層結(jié)構(gòu)的天然石墨具有比較差的高倍率性能,如Zaghib等[10]研究的天然石墨NG40在C/4放電時容量只有55.8mAh/g(Li
6、xC6中的x=0.15)o1.2材料尺寸鋰離子電池負(fù)極材料的尺寸直接關(guān)系著鋰離子在其中擴(kuò)散路徑的長短,對電極高倍率性能產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)電極材料尺寸較小時,比表而積一般較大,一方面,可以使電極的電流密度降低,減少電極的極化作用;另一方面可以提供更多的鋰離子遷移通道,縮短遷移路徑,降低擴(kuò)散阻抗,從而提高電極的高倍率性能。因此,粒徑較小的顆粒和納米結(jié)構(gòu)的材料(納米球、納米線、納米棒、納米管和納米膜等)作為鋰離了電池負(fù)極材料時通常表現(xiàn)出較好的倍率性能如小顆粒石墨(約6pm)以C/2充放電時,其容量可以達(dá)到C/
7、24充放電容量的80%;而大顆粒石墨(約44ym)在相同的充放電制度下僅具有C/24充放電容量的20%[18]o此外,Chan等[18]采用氣?液.固(VLS)法在不銹鋼基體上制備的Si納米線電極在1C充放電時,其可逆容量高達(dá)2100mAh/goTakamura等[19]利用真空蒸發(fā)在鎳箔上制得的硅膜,在0.5?30C的充放電倍率范圍內(nèi)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在10C充放電制度下工作1000個循環(huán)以上,比容量仍保持2000mAh/g,但隨著硅膜加厚比容量呈現(xiàn)下降趨勢。與之相似,Graetz[20]等用氣相沉積法在
8、傑箔的表面制得-一層60~250nm厚的Ge金屬膜(粒徑在12nm左右),用其作為電極在0.5?1000C范圍內(nèi)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)用1C充電、1000C放電的充放電制度時,可以放岀0.1C充放電容量的70%o1.3電極表面電阻鋰離子在嵌入負(fù)極的過程屮,首先要擴(kuò)散到固體電解質(zhì)相界面膜(SEI膜)與負(fù)極材料的界面處,因此屯極表面屯阻相當(dāng)于鋰離子擴(kuò)散過程中的一道門檻,影響著鋰離了的歐入和脫出,尤其在高倍率充放電時更加明顯。Avery等[21]的研究