石墨制品废料用作锂离子电池负极活性材料的研究

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为了考察某电炭厂石墨制品废料用作锂离子电池(LIB)负极活性材料的可行性,将其原试样进一步进行了不同最高热处理温度(HTTmax)的热处理。用试样的密度、灰分含量和XRD图谱表征了试样的微观结构。用恒电流充、放电实验考察了试样的充、放电性能。据此讨论了试样的微观结构与宏观电化学性能的关系,确定了最佳热处理工艺制度。结合恒电流充、放电实验、粉末微电极循环伏安实验和FTIR分析考察了具有良好贮锂结构的XT-28试样与六种不同电解液的相容性。采用正交法通过恒电流充、放电实验考察了XT-28试样的粒度、炭膜中导电剂乙炔黑和粘结剂PTFE的含量以及充、放电电流密度等因素对其充、放电性能的影响。采用粉末微电极循环伏安实验估测了在最佳实验条件下XT-28试样的循环性能。实验结果表明: 1.采用“从室温升温至2400℃时,边加热边抽真空”的热处理制度有利于除去试样中部分杂质,但要将试样内妨碍锂离子在其中扩散的杂质SiC和铁-渗碳体(Fe3C)除去,HTTmax必须不低于2800℃。从节能观点出发,最佳HTTmax应为2800℃,XT-28为最佳试样,其第三循环放电容量(D3)为330.2mAh/g、充、放电效率(η3)为97.5%。 2.XT-28试样在六种不同电解液中首次充电时,试样颗粒表面形成了固体电解质中间相(SEI)膜,其主要成份均为碳酸锂。EC基电解液在试样颗粒表面发生的还原反应比较缓和,能够形成薄而致密的、只允许锂离子通过的SEI膜;而PC基电解液在试样颗粒表面发生的还原反应比较激烈,形成的SEI膜厚而不均匀、锂离子难以通过。 3.由正交试验结果可知,XT-28试样在1mol/L LiClO4/EC+DEC(1:1)电解液中进行恒电流充、放电时,试样的粒度(A)、炭膜中导电剂乙炔黑的含量(B)、炭膜中粘结剂PTFE的含量(C)以及充、放电电流密度(D)等因素对第三循环放电容量D3及充、放电效率η3影响的大小顺序均为:B>D>A>C。但对D3的影响(极差R=23.1~37.3mAh/g)远大于对η3的影响(极差R=0.3~1.2%)。上述四个因素的最佳水平组合为A2B3C2D2:即试样粒度为水平2(-325目),炭膜中乙炔黑含量为水平3(6%),PTFE含量为水平2(5%),充、放电电流密度为水平2(15mA/g)。采用这一组合时D3≥338.7mAh/g,η3≥96.1%。 4.粉末微电极循环伏安实验表明XT-28试样的循环性能很好,当进行到第500循环时,其放电容量为第60循环最大放电容量的72.22%,充、放电效率为93.35%。
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