【摘 要】
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目前,开发高能量密度、成本廉价的锂离子电池材料成为行业发展的必然趋势。转化型正极材料由于较高的能量密度、较低的成本被认为是下一代电池材料的候选者之一。其中转化型材料Fe S2由于较高的理论能量密度得到了广泛研究,然而,由于多硫化物带来的“穿梭”效应等限制了其后续发展。本工作在Fe S2的基础上通过一步煅烧法制备得到Fe7S8,Fe7S8是一款低成本、环保、高能量密度的转化型正极材料,理论比容量高达
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目前,开发高能量密度、成本廉价的锂离子电池材料成为行业发展的必然趋势。转化型正极材料由于较高的能量密度、较低的成本被认为是下一代电池材料的候选者之一。其中转化型材料Fe S2由于较高的理论能量密度得到了广泛研究,然而,由于多硫化物带来的“穿梭”效应等限制了其后续发展。本工作在Fe S2的基础上通过一步煅烧法制备得到Fe7S8,Fe7S8是一款低成本、环保、高能量密度的转化型正极材料,理论比容量高达663 m Ah·g-1,并且相较于Fe S2其循环稳定性更为优异。在此基础上本文制备了Fe7S8-Li软包电池,但是在循环过程中较大的体积膨胀等问题导致软包电池过充失效。因此,先对Fe7S8-Li体系失效机理进行相关研究。其次,为了缓解Fe7S8-Li体系体积膨胀等问题,本文对不同粘结剂在本体系下相关性能进行研究。主要研究内容如下:首先,对所制备的Fe7S8进行相关物相以及形貌分析,证实所制备物质为微米级尺寸的纯相Fe7S8并且材料并无特殊形貌,分散相对聚集。通过对Fe7S8材料在不同电解液以及不同颗粒尺寸下的电化学性能进行对比,发现在常规醚类电解液体系下微米级尺寸的Fe7S8材料循环稳定性表现最为优异。接着在此基础上制备了Fe7S8-Li软包电池并探讨了Fe7S8-Li体系失效原因。通过对失效扣式电池各组分进行电化学测试,发现Fe7S8体系电池失效原因是多个部分共同作用的结果。进一步使用相关表征手段进行分析,证实Fe7S8-Li体系电池失效主要原因为循环过程中生成长链多硫化锂Li2S4,进一步长链多硫化锂Li2S4转化为Li2SO3,最终导致体系过充现象的发生。并且还对Fe7S8体系在转化过程中相关反应方程式进行了完善。最后,为了缓解Fe7S8-Li体系在循环过程中较为严重的体积膨胀等问题,本文选择了4款粘结剂PVDF、PAN、SBR/CMC、PAA/CMC,研究粘结剂对Fe7S8的电化学性能影响,发现PAN粘结剂在Fe7S8体系下综合性能最为优异。其主要原因有以下两点:1)PAN粘结剂的-C≡N基团相较于其余三款粘结剂侧链基团与Li-S键的结合能更大,更有利于稳固体系中产生的硫化物;2)具有电负性的-C≡N基团与集流体之间的偶极相互作用使得活性材料Fe7S8能够牢固的附着在集流体上,因此更有利于抑制Fe7S8体系体积膨胀。
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