锂离子电池材料的中子衍射研究

历史上每一次人类社会的重大进步都伴随着能源的变革。化石能源的利用给人类社会带来极大便利的同时,也对我们赖以生存的自然环境造成了巨大破坏,发展绿色、清洁、高效的可替代能源是当代科技工作者肩负的重要使命。当前,各国都在加大对核能、太阳能、风能、生物能、水能等清洁能源的开发力度,大量的人力和物力投入到这一能源变革之中。     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xa研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法，计算了正极材料LiMn2O4的电子结构，发现LiMn2O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)、O(6)、O(4)的2p轨道构成，导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的3d轨道和O(7)的2p轨道构成．通过计算Li5Mn2C0O8的电子结构，发现在LiMn2O4中用钴离子取代16d位锰离子将使电极材料的费米能减小，放电电压降低；锂离子的净电荷增大，锂离子与氧离子的相互作用增强，可逆容量降低；同时由于价带宽度变窄，Co-O键间的相互作用比Mn-O键间的相互作用强，所以，结构稳定性增加，电极循环性能改善．     

锂离子电池负极材料CuSn的Li嵌入性质的研究

使用基于混合基表示的第一原理赝势法，研究了锂离子电池非碳类负极材料CuSn的Li嵌入时的形成能以及相应的电子结构.还给出了Li嵌入时的体积变化，能带结构、电子态密度以及电荷密度分布等性质, 并讨论了CuSn作为负极材料的特点.计算发现，Cu-Sn化合物在闪锌矿结构时，Li嵌入主体材料时的嵌入形成能大致在3.5eV附近. 关键词： 锂离子电池 负极材料 CuSn 电子结构     

锂离子电池Sn-Ti合金负极材料的制备及性能研究

采用磁控溅射沉积技术制备了纳米级Sn-Ti合金负极材料,并用X射线衍射和扫描电子显微镜进行表征,用高精度电池测试系统进行充放电和循环伏安测试.结果表明先镀Sn后镀Ti（Sn/Ti复合膜）和先镀Ti后镀Sn（Ti/Sn复合膜）具有很大的性能差异,其中Sn/Ti复合膜具有优异的循环稳定性和较高的可逆容量.首次放电容量和充电容量分别为9275 mAh/g和6954 mAh/g,首次库仑效率为75％,经30次循环后,该电极的放电容量保持为4152 mAh/g,这主要归因于活性物质Sn与电解液界面之间存在非活 关键词： 锂离子电池 磁控溅射 Sn-Ti合金 电化学性能     

锂离子电池Sn-Al薄膜电极的制备及电化学性能研究

采用磁控溅射沉积技术制备了纳米级Sn-Al合金薄膜电极材料,并用X射线衍射和扫描电子显微镜进行表征,用高精度电池测试系统进行充放电和循环伏安测试.结果表明直流DC与射频RF两种不同的溅射方法制备的Sn-Al薄膜电极具有很大的性能差异,前者DC法制备的材料颗粒细小,表现出稳定的循环性能,其首次放电容量为1060 mAh/g,首次效率为71.7％,电极经过50次循环后比容量保持在700 mAh/g以上.后者RF法制备的材料颗粒较大,放电比容量开始上升,第五次循环后接着逐渐衰减,表现出较差的循环性能. 关键词： 锂离子电池 磁控溅射 Sn-Al合金 电化学性能     

锂离子电池掺钴正极材料电子结构的DV-Xα研究

采用原子基表示的第一原理赝势方法 ,计算了正极材料LiMn2 O4的电子结构 ,发现LiMn2 O4的价带主要是由Mn(8)和Mn(9)的 3d轨道和O(7)、O(6 )、O(4 )的 2p轨道构成 ,导带主要是由Mn(8)和Mn(9)的 3d轨道和O(7)的 2 p轨道构成 .通过计算Li5Mn7CoO8的电子结构 ,发现在LiMn2 O4中用钴离子取代 16d位锰离子将使电极材料的费米能减小 ,放电电压降低 ;锂离子的净电荷增大 ,锂离子与氧离子的相互作用增强 ,可逆容量降低 ;同时由于价带宽度变窄 ,Co-O键间的相互作用比Mn -O键间的相互作用强 ,所以 ,结构稳定性增加 ,电极循环性能改善 .     

锂离子电池放电循环的发热特性研究

锂离子电池发热特性的研究对于发展电池热管理系统具有重要意义.本文采用数值方法对锂电池放电过程中的微观发热特性进行了研究,并对锂电池放电循环过程中固体电解质(SEI)膜和欧姆热的变化规律进行了分析,研究结果表明:锂电池以高倍率(5C)放电时,SEI膜产生的热量是锂电池发热的重要部分;随着放电循环的进行,锂电池负极颗粒表面SEI膜以线性规律增厚,导致电池SEI膜电阻不断增大;锂电池放电环境温度越高,锂电池负极SEI膜增厚越快,容量衰退越快。     

不同气氛下裂解含苯环聚硅氧烷制备锂离子电池Si-O-C复合负极材料的电池性能研究

在惰性气氛Ar和还原性气氛H₂中通过高温裂解含苯环的聚硅氧烷分别制备了硅氧碳化物Si-O-C复合负极材料,并且采用了元素分析element analysis、广角粉末X射线衍射XRD、傅里叶激光拉曼光谱Raman等手段表征了二者组成和结构的差别.实验发现,在H₂气氛中裂解制备的Si-O-C复合负极含有较高的可逆、较低的不可逆容量,而且可逆容量随温度的增加而增长.其中H₂气氛中1000 ℃情况下制备的Si-O-C复合负极的可逆容量622 mAh/g,首次库仑效率59%.Si-O-C复合负极的不可逆容量与氧的含量相关,可逆容量可能与碳含量及碳结构,以及SiOC中硅的结构相关.在H₂气氛中制备的Si-O-C负极材料是一种潜在的锂离子电池的负极材料. 关键词： 硅氧碳化物 负极材料 锂离子电池     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

锂离子电池相关材料的Raman光谱学研究

锂离子电池是目前综合性能最好的可充电池。本文总结我们实验室用Raman光谱学研究锂离子电池相关材料的一些结果 ,包括聚合物电解质的微结构和离子输运机制 ,低温热解碳负极材料的结构表征和锂离子在其中的嵌入 /脱出机理 ,元素替代引起正极材料LiMn2 O4的结构变化以及在充放电过程中电极 /电解质界面形成的钝化层的性质及其对电池性能的影响     

氧化石墨制备温度对石墨烯结构及其锂离子电池性能的影响

采用改进的Hummers 法, 以石墨粉为原料制备氧化石墨, 然后使用微波还原法制备石墨烯, 最后以石墨烯作为负极材料组装锂离子电池. 系统的研究了高温氧化阶段中温度对氧化石墨的氧化程度、石墨烯的还原程度和比表面积以及锂离子电池性能的影响. 利用场发射扫描电镜(FESEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、BET测量仪对氧化石墨和石墨烯的微观结构及比表面积等进行测试和表征. XRD, XPS及电化学测试的结果显示当高温阶段氧化温度为90 °C时, 氧化石墨的氧化程度最高, 相应的石墨烯也具有最高的还原程度和最大的比表面积423.2 m²/g, 同时石墨烯锂离子电池也具有更好的性能: 首次放电比容量为1555.5 mAh/g, 充电容量为1024.6 mAh/g, 其循环放电比容量达到600 mAh/g.     

低共熔溶剂回收锂离子电池正极材料的研究

废旧锂离子电池不仅造成了严重的资源浪费同时还带来严重的环境污染问题.传统锂离子电池材料回收方法存在高能耗、高成本以及二次污染等不足.本文成功制备出乙二醇/氯化锌低共熔溶剂(DES),利用其对金属氧化物优秀的溶解能力,用于三元锂离子电池正极材料有价金属的回收,并分析了不同氯化锌浓度对低共熔溶剂热物性及其浸取能力的影响,对...     

VS2作为锂离子电池负极材料的第一性原理研究

随着对锂离子电池（LIBs）性能要求的提高,研究开发锂离子电池的新型电极尤显重要.本文采用第一性原理计算研究二硫化钒（VS₂）作为锂离子电池负极材料的可能性.计算结果表明:VS₂具有金属性,费米能级附近的态密度主要来源于钒的3d轨道及硫的3p轨道; Li在VS₂单层中优先吸附钒（V）的顶位, Li在VS₂表面具有非常好的扩散性,扩散势垒仅为0.20 eV,低于石墨烯,表明Li能够较快地迁移,有利于LIB快速充电-放电过程; VS₂机械性能良好,杨氏模量为96.82 N/m,且吸附Li后的杨氏模量与泊松比都未减小,表明VS₂在吸附Li以及Li离子扩散迁移过程中,刚性并不会降低;并且计算得到VS₂的电池容量（466 mAh/g）比石墨烯更高.研究表明VS₂具有出色的导电性能和优异的机械刚性及较高的理论容量,是一种非常有前景的锂离子电池负极材料.     

锂离子电池SnSb/C复合负极材料的热碳还原法制备及电化学性能研究

采用高温还原技术,以SnO2,SbO3为原料,分别以葡萄糖、中间相碳微球(MCMB)作为还原剂,制备了两种结构的SnSb/C复合材料,并对比了它们的形貌和电化学性能.采用X射线衍射技术、拉曼技术、扫描电子显微镜技术对材料的结构和形貌进行了表征,并且通过测试恒电流充放电曲线、循环伏安曲线和交流阻抗谱分析了材料的电化学性能.实验结果表明:葡萄糖作为还原剂时,形成以合金颗粒为内核,絮状碳壳均匀包裹的微米球状结构,首次放电比容量为793.379 mA·h·g-1,循环50周后仍维持在449.987 mA·h·g-1;而以MCMB作为还原剂时,形成合金颗粒与MCMB混合共存并部分包覆的结构,首次放电比容量为1164.938 mA·h·g-1,50周后的比容量仅有290.807 mA·h·g-1.     

加载角度和线型缺口对锂离子电池隔膜拉伸性能的影响

锂离子电池隔膜作为防止正负极接触的物理屏障,其结构完整性对于电池安全至关重要。进行了4种商业隔膜单轴拉伸实验,分析加载角度和线型缺口对隔膜材料拉伸强度、弹性模量、断裂模式的影响。结果表明:无缺口试样在0°方向上的拉伸强度最大,90°方向上拉伸强度最小;当两个无缺口试样的加载角度互为补角时,它们的拉伸强度接近。对于缺口试样而言,缺口方向沿着90°的试样有最大破坏载荷;线型缺口试样有更高的弹性模量,但是塑性变形大幅减少。无缺口试样和缺口试样在拉伸过程中的断裂模式相同,即除0°试样沿横向断裂外,其他加载角度的试样均沿着纵向断裂。     

集流体塑性变形对锂离子电池双层电极中锂扩散和应力的影响

针对锂离子电池双层电极结构,建立了综合考虑锂扩散、应力、浓度影响的材料属性及集流体弹塑性变形的理论模型.基于所建立的模型,主要研究了在充电过程中集流体可能发生的塑性变形对电极中锂扩散及应力的影响.数值结果表明集流体的塑性变形会减弱其对活性层的约束,这不仅使得集流体和活性层中的应力得到明显缓解,而且还促进了锂在活性层中的扩散,提高了活性层的有效容量.与此同时,研究了集流体的屈服强度和塑性模量这两个参数的影响,结果表明,较小的屈服强度和较小的塑性模量能进一步弱化约束,松弛电极活性层中的应力,并增加其有效充电容量.研究结果为分层电极的结构设计和性能优化提供了一定的参考.     

纳米颗粒的表面效应和电极颗粒间挤压作用对锂离子电池电压迟滞的影响

硅作为锂离子电池电极材料之一,其应力效应尤为突出,进而将影响电池性能.本文建立了电化学反应-扩散-应力全耦合模型,并研究了恒压充放电条件下扩散诱导应力、表面效应和颗粒间挤压作用对电压迟滞的影响.结果发现,应力及其导致的电压迟滞程度与颗粒尺寸相关.在大颗粒(颗粒半径r 100 nm)中,扩散诱导应力是导致电势迟滞效应的主要因素,这将导致电池能量耗散.对于纳米级小颗粒(r 100 nm)而言,表面效应占据主导,表面效应虽然能缓解电压迟滞,同时却会使驱动电化学反应部分的过电势回线下移,造成锂化容量衰减.本文综合考虑了扩散诱导应力和表面效应,得出:半径为10 nm的颗粒将会使电极具备较好的综合性能.此外,对于硅电极而言,颗粒间挤压作用会使应力回线向压应力状态演化,进而导致锂化容量的衰减.计算结果表明,在电极设计中,对孔隙率设定下限值有助于提升电极性能.     

新型锂离子电池正极材料LiMPO_4(M=Fe,Mn)的谱学和电化学研究

采用固相反应与液相反应,合成了新型锂离子电池正极材料LiMPO4(M=Fe,Mn)。粉末X光衍射表明材料均为纯相。对材料的显微拉曼光谱和红外光谱进行了研究和指认。循环伏安研究表明,含锂磷酸盐是一类有潜力的锂离子电池正极材料。