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Journal of Measurement Science and Instrumentation 2023年第1期14卷 95-102页

作者：闫俊中北大学出版中心山西太原030051 北京师范大学化学学院能量转换与存储材料北京市重点实验室北京100875

锂金属电池(LMBs)是最具潜力的下一代高能量密度存储设备,能够满足新兴产业的需求。然而,严重的锂枝晶生长、较低的库仑效率和不稳定的正极材料结构限制了它的商业应用。隔膜是LMBs最重要的组成部分之一,在很大程度上影响着电池的倍率... 详细信息

锂金属电池(LMBs)是最具潜力的下一代高能量密度存储设备,能够满足新兴产业的需求。然而,严重的锂枝晶生长、较低的库仑效率和不稳定的正极材料结构限制了它的商业应用。隔膜是LMBs最重要的组成部分之一,在很大程度上影响着电池的倍率性能、循环寿命和安全性。对隔膜表面进行涂覆可以优化其与电极材料之间的界面,从而提高LMBs性能。本文从三个方面综述了近年来聚合物隔膜涂覆的研究进展,并展望了隔膜未来的发展方向。

关键词：锂金属电池(LMBs) 隔膜涂覆库伦效率锂枝晶

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软包锂离子电池卷绕式电芯变形研究

软包锂离子电池卷绕式电芯变形研究

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作者：陈杰伟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卷绕式软包锂离子电池充放电过程中,负极活性材料石墨的晶格结构会增大或减小,使负极极片的厚度膨胀或收缩,导致电池变形。由于隔膜基材材质为聚乙烯(PE),卷绕过程中隔膜会产生收缩,收缩力带动正负极片,也会导致电池变形。电池变形会大... 详细信息

卷绕式软包锂离子电池充放电过程中,负极活性材料石墨的晶格结构会增大或减小,使负极极片的厚度膨胀或收缩,导致电池变形。由于隔膜基材材质为聚乙烯(PE),卷绕过程中隔膜会产生收缩,收缩力带动正负极片,也会导致电池变形。电池变形会大大影响循环性能、倍率性能甚至其安全性能。因此,本文拟通过极片(负极)辊压控制厚度变化率,卷绕方法改进,隔膜涂覆聚偏氟乙烯(PVDF),以及改变卷芯热压参数等,改善电芯变形,提高无人机锂离子电池制造的生产良率和人工效率。本文使用商业无人机卷绕式软包锂离子电池进行实验研究,首先分析了影响电池变形的三大方向:负极厚度变化率、卷绕方式及隔膜与极片的粘接。再从原料、设备、制造工艺等方面分析影响以上三方面的因素,最后通过实验设计找出最佳的制程参数,并验证该参数下制出的成品电池是否符合循环测试、倍率测试以及安全性能测试要求。最终达到控制电池变形的目的。本文研究了辊压参数、卷绕方式和卷绕张力、隔膜PVDF涂覆面密度和热压参数对电池变形量的影响。实验研究发现,负极极片辊压后初始厚度变化率越大,电芯变形量越大。负极厚度变化率大的微观表现是负极极片的极片间距增大,这是导致电池变形的驱动力。可通过控制辊压速度来控制负极厚度变化率,进而就能控制电芯的变形。卷绕方式采取变张力模式有利于控制电池变形,且卷绕时隔膜/极片张力越小,对控制电芯的变形越有利。隔膜表面涂覆PVDF的面密度越大,越有利于隔膜粘接极片,越能控制电芯的变形。通过对辊压速度、变张力的卷绕、隔膜涂覆PVDF面密度和卷芯热压参数的研究,优化的工艺参数为:辊压速度≤10 m/min;隔膜140～160 g变张力卷绕,极片210～290 g变张力卷绕;隔膜涂覆PVDF面密度≥10.2 g/m;卷芯热压温度85℃,热压压力1400 kg·f,热压时间6 min。通过以上研究,有效控制了卷绕式软包锂离子电池的变形,提高了电池的厚度一致性和外观。应用到卷绕式软包锂离子电池的生产中,变形比例由13%下降至0.1%,且满足循环性能等电性能和安全性能各项要求。

关键词：锂离子电池电芯变形极片厚度变化率卷绕张力隔膜涂覆卷芯热压

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凝胶态复合电解质的制备及其在锂离子电池中的应用研究

凝胶态复合电解质的制备及其在锂离子电池中的应用研究

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作者：薛南翔广东工业大学

学位级别：硕士

近些年来,随着锂电和储能行业的迅猛发展,锂离子/锂电池在大功率动力、便携式家用和电力储能等方面受到了广泛的关注和应用。隔膜作为电池中电芯的重要组成部分,其安全性和创新性决定着整个电池在不同工作状态下的可靠性和多次充放电可... 详细信息

近些年来,随着锂电和储能行业的迅猛发展,锂离子/锂电池在大功率动力、便携式家用和电力储能等方面受到了广泛的关注和应用。隔膜作为电池中电芯的重要组成部分,其安全性和创新性决定着整个电池在不同工作状态下的可靠性和多次充放电可持续性。目前,为了改善常规聚烯烃微孔隔膜的高温尺寸稳定性以及电解液浸润性,行业中普遍采用无机陶瓷粉末进行单面或者双面涂覆,但是这种无机陶瓷涂层受外部挤压时无疑将加重对聚烯烃基膜的破坏,因此凝胶态柔性涂层的设计和相应的涂覆隔膜的应用成为了前景不错的选择。此外,随着电池安全性要求的提高,固体电解质和柔性凝胶电解质的开发成为了国内外研究的热点。本文首先在已经商业化的氧化铝陶瓷涂覆复合隔膜基础上,在水性涂覆浆料中引入具有柔性缓冲作用的有机硅改性丙烯酸乳液,采用浸涂方法制备了表面柔性凝胶电解质涂覆的有机无机复合隔膜,探讨复合隔膜的表面形貌、组装电池的电化学性能以及模拟电池破坏环境下循环冲压后隔膜表面形貌以及相应的电化学表现。在此基础上,进一步制备单一的PVDF基柔性凝胶电解质,并引入聚氨酯PU以克服PVDF中β晶强极化效应带来的电化学稳定性问题,探讨柔性复合凝胶电解质的晶型调控以及相应的电化学性能。本文的主要工作和结论如下:1)将水性有机硅改性丙烯酸乳液与纳米氧化铝粉末复合后涂覆在聚乙烯微孔隔膜两侧,并对涂覆隔膜进行极限冲压模拟隔膜疲劳破坏和电化学性能测试。结果表明:涂覆隔膜表明经液体电解质润湿后呈凝胶态,相比涂覆0%和10%浓度的有机硅改性丙烯酸乳液的隔膜,涂覆5%浓度的PEAE-5涂覆隔膜显示出最低的固体电解质阻抗(R)和电荷转移阻抗(R),电化学稳定窗口提升到5.3V,在循环充放电测试中放电容量下降问题得到改善。随后的极限冲压模拟隔膜疲劳失效中,PEAE-5涂覆隔膜表现出最高的抗形变载荷(111.6N),在极限冲压后PEAE-5涂覆隔膜依然能够表现出6.89×10 S cm的离子电导率和接近5.3 V的电化学氧化极限,同时在0～5V之间依然能够保持较低的稳态电流,证明装有PEAE-5涂覆隔膜的电池内部并未出现内部软短路情况。此外,极限冲压后的PEAE-5隔膜仍能保持冲压前近80%的循环充放电性能,因而凝胶态柔性涂层的使用可以有效防止电池隔膜受到破坏,为防止电池内部短路导致失效提供了一种有效的方法。2)将聚偏氟乙烯和聚氨酯溶液共混,并通过溶剂诱导相分离法制备含有极性β相的多级孔聚合物薄膜,后在液体电解质中溶胀活化,得到PVDF-PU复合凝胶态聚合物电解质(GPEs),表征复合电解质的结晶性能与电化学性能。结果表明:PU对聚合物复合膜中PVDF的结晶形态没有影响,在有效的提高了吸液率和溶胀性的同时,柔弹性得到极大的改善。其中PVDFPU复合凝胶电解质的表观活化能为18.9 kJ mol,符合聚合物电解质最理想的表观活化能范围(16-24 kJ mol),4.35V的稳态氧化极限确保了常压电池在0-4.2V的电压区间正常运行。最有意义的是PVDFPU复合凝胶电解质99%以上的库伦效率和97.1%的百次放电容量保持率归因于PU的去极化影响,此外优异的Li离子迁移数(0.845)和优异的离子电导率(8.81×10S cm)表明PVDF-PU复合聚合物电解质有望替代传统的聚烯烃微孔隔膜。

关键词：隔膜涂覆疲劳失效软短路凝胶态电解质 β相

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隔膜和正极材料的表面处理对Li-S电池性能的影响

隔膜和正极材料的表面处理对Li-S电池性能的影响

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作者：潘媛媛合肥工业大学

学位级别：硕士

随着电子技术的发展,便携通讯设备和电动交通工具等对新型电池提出了新的要求,比如高比能、高安全性、低成本、环境友好并经久耐用等。由于锂离子电池的能量密度达到了理论极限,所以研究者将目光对准了锂硫电池。锂硫电池是以硫或硫化... 详细信息

随着电子技术的发展,便携通讯设备和电动交通工具等对新型电池提出了新的要求,比如高比能、高安全性、低成本、环境友好并经久耐用等。由于锂离子电池的能量密度达到了理论极限,所以研究者将目光对准了锂硫电池。锂硫电池是以硫或硫化物为正极、锂为负极的二次电池。然而,由于硫及硫化物的导电性差、活性物质利用率低、穿梭效应等问题,使电池商业化的进程遇到了困难。为了解决这些问题,本实验从正极材料、隔膜的表面涂覆改性方面对锂硫电池进行研究。具体内容主要包括:(1)为了提高材料的导电性和活性物质的利用率,本实验采用硬模板法,以葡萄糖为前驱体碳源,与模板剂纳米CaCO混合烧结分解为Cao和CO,最终制备出分层结构的介孔碳作为硫的导电载体。制得三种硫/介孔碳复合正极材料,研究了纳米CaCO模板和前驱体的比例及其与锂硫电池电化学性能之间的关系。结果表明,按照质量比CaCO:CHO=1:1.5制备的介孔碳MC2为导电载体的锂硫电池S/MC2性能最优。用它组装的电池的材料首次放电比容量达到了1388mAhg;0.5C倍率下100次循环后的放电比容量为883mAhg。(2)分别在电池级隔膜的正反两面用AC和MoS进行涂覆。首先在贴近锂阳极隔膜面上涂覆二硫化钼(MoS);然后在隔膜反面靠近硫阴极的位置涂覆活性炭(AC),标记为AC-MoS。实验结果表明:采用AC-MoS、MoS涂覆以及无涂覆隔膜组装的电池初始放电比容量分别为1288mAhg和1219mAhg和957mAhg,在0.5 C下经过100次循环的放电比容量分别是1109mAhg,998mAhg和507mAhg,前两者的库仑效率保持在98%以上。(3)采用物理气相沉积磁控溅射技术对传统锂硫电池的正极进行镀膜,减轻中间产物的穿梭,实现良好的循环稳定性。用射频溅射方法将AlO和TiO分别沉积在涂覆了硫/活性炭(S/AC)的正极表面。部分AlO和TiO颗粒能够嵌入正极表面的碳孔中,可以抑制多硫化物的穿梭,从而改善了电池的循环稳定性。正极材料溅射AlO和TiO薄膜后都可提高电池的性能,其中正极溅射AlO薄膜后组装的电池,在0.5 C下,第1次和第100次放电比容量分别为1249mAhg和965mAhg,库仑效率在97%以上。

关键词：锂硫电池介孔碳二硫化钼氧化铝隔膜涂覆磁控溅射

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