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新型水性导电粘结剂提升LiFePO4循环和倍率性能

时间:2016-11-30 11:32来源:未知 作者:admin

LiFePO4材料以其优异的安全性能而著称,是目前实际应用的锂离子电池正极材料中唯一能够通过挤压、针刺等严苛的安全实验的锂离子电池材料,这主要得益于其稳固的橄榄石结构,稳固的P-O键极大的增加了材料的热稳定性,提高了磷酸铁锂材料的热失控的温度,大大提高了LiFePO4材料的安全性能,也提升了材料的循环性能,因此LiFePO4材料锂离子电池被广泛的应用在电动大巴等对安全性能要求较高的领域。

  但是磷酸铁锂材料也存在着许多的问题,例如电子电导率低,电压低等问题,为了克服这些问题,人们提出了多种方案,例如LiFePO4颗粒纳米化和表面包覆等方案,在一定程度是解决了LiFePO4材料电子电导率和离子电导率低问题。但是为了提高LiFePO4材料的电池的倍率性能和循环性能,不仅仅需要提升材料本身的性能,还需要从电极的成分配比等方面入手,共同解决LiFePO4材料导电性差的问题。

  锂离子电池的电极主要由四大部分组成:活性物质、导电剂、粘结剂和集流体,其中只有活性物质能够为电池提供容量,因此需要尽可能的增加活性物质在整个电池中所占的比例。导电剂主要增加电极的导电性,粘结剂主要是将电极的几种组分粘接在一起,因此为了降低电极的电阻,又需要增加导电剂和粘结剂的用量,两者相互平衡和制约。为了解决提升活性物质占比和提升电极导电性的矛盾,一个可行的办法是开发具有导电能力的粘结剂,在起到粘接作用的同时也能够解决电子导电的问题。

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近日中科院广州能源研究所的Haoxiang Zhong等人开发了一款具有导电能力的新型粘结剂,该粘结剂主要包含羧甲基壳聚糖(CCTS)作为粘结剂,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)- 聚苯乙烯磺酸(PEDOTPSS)作为导电剂。

采用PEDOTPSS材料能够在电极内部形成连续的均匀的导电网络,并能够降低了导电剂炭黑的应用,从而提升电极的压实密度。采用PEDOTPSS导电剂的LiFePO4电池表现出了更好的循环性能和倍率性能。

  PEDOTPSS因为其良好的导电性,热/化学稳定性而被广泛的应用在锂离子电池领域,例如Si负极电池等。Haoxiang ZhongPEDOTPSSCCTS结合,应用在LiFePO4材料电极上,并研究了PEDOTPSS与炭黑之间的替代关系,发现PEDOTPSS与炭黑之间的重量比例为11时电池表现出最好的倍率和循环性能。实验过程如下,首先将PEDOTPSS分散在CCTS溶液中,然后再与LiFePO4、炭黑和粘结剂(SBR)混合,然后涂布再铝箔上进行后续的电化学测试。

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  测试发现采用PEDOTPSS导电剂的电极要比只采用炭黑导电剂的阻抗要低(100Sm-1526Sm-1),同时极片的压实密度也从1.5g/cm3提升到了1.7g/cm3,同时极片的剥离强度也得到了明显的提升,从0.17N/cm提升到了0.23N/cm。电化学测试发现,采用PEDOTPSS导电剂的电极比能量为155mAh/g,循环100次容量保持率为100%,电压平台为3.4V。同时采用PEDOTPSS导电剂的电极表现出了更加优秀的倍率性能,3C的比容量可达113mAh/g5C倍率下可达93mAh/g

  PEDOTPSS导电剂具有良好的导电性和稳定性,不仅可以应用在LFP电池上,还可以广泛的应用在其他材料上,例如应用在Si负极材料上,可以显著的改善电池的倍率性能,应用再NMC111电极上能够提升NMC111材料的放电比容量。