活性物质球磨及复合改性对半固态锂离子悬浮液性能的影响研究

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由于兼具高能量密度、低成本、高安全性和长循环寿命等优势,半固态锂离子液流电池作为一种新型储能技术展现了极为广阔的应用前景。然而,目前该电池的系统能量效率和电化学性能仍有巨大提升空间。其核心工作部件半固态锂离子悬浮液较差的流动性造成电池系统能量效率较低,同时也限制了悬浮液理论能量密度、导电性和电化学性能的提高。因此,在具有较高理论能量密度和良好导电性的条件下改善悬浮液的流动性对突破半固态锂离子液流电池系统能量效率和电化学性能提升的瓶颈具有重要意义。而活性物质的理化性质对半固态锂离子悬浮液的流动性、导电性和电化学性能均有重要影响,因此本文对活性物质进行球磨处理及复合改性,探究其对半固态锂离子悬浮液各项性能的影响,以改善半固态锂离子液流电池的整体性能、推动半固态锂离子液流电池的实际应用。在第一部分研究工作中本文对镍钴锰酸锂(NCM)进行球磨处理,以探究球磨前后NCM在不同活性物质质量分数下对半固态锂离子悬浮液流动性的影响规律,以及高活性物质质量分数下球磨前后NCM半固态锂离子悬浮液的导电性、电荷转移能力和充放电容量性能。研究结果表明,球磨前NCM所制备的半固态锂离子悬浮液随活性物质质量分数上升,流动性呈现先改善后降低的趋势。总体上球磨后的NCM使半固态锂离子悬浮液的流动性降低,并在较高活性物质质量分数下流动性降低的幅度较为明显,本文分析可能是NCM经过球磨后具有更小的粒径以及更高的表面能,并在具有较高活性物质质量分数的半固态锂离子悬浮液中发生较为严重的团聚所导致。在较高的活性物质质量分数下,球磨后NCM使得半固态锂离子悬浮液的电荷转移能力大幅降低,导致其在充放电时极化损失较大、充放电容量较小。该研究工作有利于深入理解半固态锂离子悬浮液各项性能的影响因素以及相互关系,可为半固态锂离子悬浮液综合性能的改善提供参考意义。在第二部分研究工作中本文提出合成磷酸铁锂(LFP)与碳纳米管(CNTs)的复合活性物质以提升其导电性和电化学性能,并调节半固态锂离子悬浮液中固体颗粒之间的相互作用力,以改善半固态锂离子悬浮液的流动性。本文分别合成了具有5 wt%、10 wt%、15 wt%(相对于LFP)CNTs的LFP/CNTs复合活性物质并用于制备半固态锂离子悬浮液。研究结果表明,LFP/CNTs复合活性物质具有相对较高的静电排斥力和丰富的CNTs导电通路,可有效缓解半固态锂离子悬浮液流动性和导电性、电化学性能之间的矛盾;其中具有15 wt%CNTs的LFP/CNTs复合活性物质使半固态锂离子悬浮液同时表现出相对较好的流动性、较强的电荷转移能力和较高的充放电容量,并具备良好的导电性。该研究工作有利于改善半固态锂离子液流电池的整体性能,对推动半固态锂离子液流电池的实际应用具有重要作用。
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