具有高容量快速充電特性的三維結(jié)構(gòu)薄膜Li離子電池研制

摘要 本項(xiàng)目研究了以硅微通道板作為負(fù)極的鋰離子電池的制備以及充放電特性， 研究了磷酸鐵鋰正極材料對于提高三維鋰離子電池行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)多孔化磷酸鐵鋰可以提高循環(huán)性能。由于鋰離子的擴(kuò)散特性相當(dāng)強(qiáng)，原先設(shè)想的在通道內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維電池的想法無法實(shí)現(xiàn)。但是在研究中發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，硅負(fù)極材料的體積變化達(dá)到300%，而硅微通道板結(jié)構(gòu)為體積的變化容留了空間，提高了硅作為鋰離子電池負(fù)極的循環(huán)性能；研究還發(fā)現(xiàn)，硅微通道板壁的厚度對改善循環(huán)性能影響很大，適當(dāng)減薄可以提高循環(huán)特性。作為項(xiàng)目的拓展，研究了在硅微通道板基礎(chǔ)上制作的Co(OH)2、Ni(OH)2等電極材料的超級電容性能，發(fā)現(xiàn)該材料具有較高的質(zhì)量比電容，加入碳球可以改善充放電特性，提高容量。探索了石墨烯/MnO2/硅微通道板超級電容特性，發(fā)現(xiàn)石墨烯可以極大地改善循環(huán)性能，即使達(dá)到20000圈，也還有較大容量，并且充電和放電速度亦有顯著增加。本項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)表相關(guān)SCI論文16篇，在本項(xiàng)目資助下已經(jīng)畢業(yè)博士生3名，碩士生11名。本項(xiàng)目已經(jīng)完成原計劃書規(guī)定的任務(wù)。 2100433B

本項(xiàng)目探索利用硅微通道板構(gòu)建具有快速充電且具有較高容量的三維薄膜鋰離子電池。采用業(yè)已成熟的電化學(xué)刻蝕工藝制作硅微通道板，無電鍍鎳作為電流收集極，研究MoS2、碳納米管等負(fù)極材料以及LiFePO4、LiCoO2等正極材料在微通道中的均勻沉積及其對電學(xué)行為的影響，探索PVDF-HEP等有機(jī)電解質(zhì)材料以及鋰磷氧氮等無機(jī)電解質(zhì)材料在硅微通道中的沉積，構(gòu)建兩種不同結(jié)構(gòu)的三維鋰離子電池，即以硅微通道板/Ni/MoS2/電解質(zhì)/磷酸鐵鋰（或鈷酸鋰）構(gòu)建第一種方案的三維薄膜鋰離子電池和以硅微通道板/Ni/磷酸鐵鋰（或鈷酸鋰）/電解質(zhì)/碳納米管構(gòu)建第二種方案的三維薄膜鋰離子電池，研究比較兩種不同構(gòu)造的三維鋰離子電池的充放電特性和工藝路線并確定其中一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)研究，從而形成能夠適應(yīng)三維電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的制作方法，最終獲得具有快速充電特性、和一定容量的新型結(jié)構(gòu)薄膜鋰離子電池，并由此獲得相關(guān)制作方法和工藝。

實(shí)現(xiàn)高功率化是動力型鋰離子電池研發(fā)過程中亟待解決的關(guān)鍵問題之一,本項(xiàng)目旨在制備新型納微分級結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12/Sn復(fù)合材料，并研究其在高功率鋰離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。結(jié)合Li4Ti5O12 和金屬Sn各自可以互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們期望獲得具有優(yōu)異的循環(huán)性能、倍率性能和安全性能的高功率鋰離子電池負(fù)極材料?；诩{微分級結(jié)構(gòu)有利于提高材料電化學(xué)性能的特點(diǎn)，擬設(shè)計并合成一系列新型納微分級結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12/Sn復(fù)合物，研究材料的形貌、組分比例、比表面積、孔隙率、孔徑分布、離子擴(kuò)散速度以及電子傳導(dǎo)能力等因素對該材料倍率和循環(huán)性能的影響，探討其微觀結(jié)構(gòu)形貌與電化學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)系；研究該負(fù)極材料與鋰離子電池體系中其它電池材料的相容性，提出一種采用Li4Ti5O12/Sn作為負(fù)極材料的高功率鋰離子電池新體系。