偏铝酸锂在锂离子电池中的应用

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锂离子电池发展到今天无疑是应用最为广泛的新型清洁二次能源。各种技术的更新换代和大量便携式电子设备和电动汽车的涌现,对锂离子电池包括安全性、循环稳定性、能量密度等提出了更高的要求。但是目前主要基于液态电解质的锂离子电池存在在高温下容易发生热失控、有机成分易燃等安全隐患。因此,越来越多的研究集中在使用更安全的全固态聚合物电池(聚合物正极+固体聚合物电解质+金属锂负极)。在聚合物电解质中,基于聚氧化乙烯(PEO)的固体电解质获得最广泛研究,但仅由PEO和锂盐组成的电解质在室温下具有低的离子电导率,远不能达到应用需要。在提高锂离子电池的能量密度方面,主要需要通过两个重要因素进行,即提高正电极材料的电压或增加电极材料的锂存储容量。正极材料的种类相对来说比较少而且发展受限,因此对于新型负极材料的开发和改性成为了众多科研项目的研究方向。硅材料成本低,具有非常高的锂存储容量,理论比容量高达4200mAh/g。对比已经商业化的石墨负极,是其的12倍以上,是理想的负极材料。单质硅在首次充放电的时候会形成SEI膜产生极大的不可逆容量以及严重的体积变化、材料粉化导致的循环稳定性差等缺陷,影响了其在锂离子电池中的其实际应用。因此针对硅负极的改性处理,特别是减少其不可逆容量是十分重要的。偏铝酸锂(LiAlO2,缩写为LAO)是一种快离子导体,在低温下具有高离子导电率。本文主要针对LAO的特性和锂离子电池体系材料的实际应用需求开展工作。第一部分工作的主要内容是通过LAO对PEO基固态电解质进行掺杂改性,从而有效地减少PEO聚合物电解质的结晶度,提高锂盐的溶解度,提高其离子电导率和电化学性能。本文第二部分工作的主要内容是通过LAO对纳米硅颗粒的包覆处理来探究其对降低不可逆容量作用。具体的实验结果如下:(1)采用简单的水热法,合成出3-5μm的棒状偏铝酸锂(LAO),然后将其和丁二腈(SN)以一定的比例引入PEO锂盐体系,以传统的溶液浇铸法成膜。当偏铝酸锂添加为10 wt%,SN为15 wt%时,室温电导率高达1.36*10-5 S/cm,80℃下电导率高达1.25×10-3S/cm。用其组装的半电池在60℃测试温度下,在0.1C的倍率下,第一周放电容量为141.3 mAh/g,25次循环容量保持率为84.9%。结合对复合电解质材料的物相及其它的表征分析表明,丁二腈和微米级的偏铝酸锂的共添加极大改善了PEO的电化学性能,提高了其应用价值。(2)通过易于操作的水热反应和共混搅拌的作用制备了由颗粒聚集包覆的纳米硅材料负极,包覆层厚度为纳米级别。通过偏铝酸锂处理的硅负电极材料的第一周的不可逆容量损失大大降低。在200mA/g的恒定电流密度下,第一周的放电比容量为2547 mAh/g,第二周的放电比容量为2398.7mAh/g,容量保留率为94.2%,远远高于单质硅负极材料的84.7%。结果表明,通过材料表面偏铝酸铝的预处理,可有效保护电极材料,抑制了一定的形成SEI膜的电化学反应,降低了不可逆容量。
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