关键词： 磷酸铁锂   高倍率性能   正极极片   圆柱电池   加工性能  

摘要： 本论文针对磷酸铁锂（LiFePO4）电池在大电流强度下放电容量低和容量保持率差的问题,设计出一款应用于圆柱电池的高倍率LiFePO4正极极片。从材料合成角度出发,改良碳包覆工艺并合成了高本征电导率LiFePO4正极材料。通过添加表面活性剂的方法解决了该正极材料在后续制浆过程中出现的团聚问题,提高了浆料的分散性和稳定性。使用表面粗化的铝箔负载浆料,解决了添加复配表面活性剂后极片剥离强度下降的问题,降低了活性物质与集流体之间的界面电阻。本研究通过优化材料合成工艺、制浆工艺和涂布工艺对正极极片倍率性能进行提升。研究了复合碳源对LiFePO4倍率性能的影响。通过共价功能化法将聚乙二醇（PEG）接枝到碳纳米管（CNTs）表面以提高CNTs的分散性。通过红外光谱仪、透射电镜和热重分析仪确定PEG被成功地接枝到CNTs表面。以PEG/CNTs为碳源,使用高温固相法合成了LiFePO4正极材料。通过扫描电镜和透射电镜测试得出,PEG在高温下裂解为碳层,其与CNTs复合成为3D导电碳网络,均匀地包覆在一次颗粒表面。3D导电碳网络的存在有效地提高了材料本征电导率。电化学测试得出,该正极材料具有优异的倍率性能,15 C倍率下放电比容量仍达到113.5 m Ah g-1。研究了高分散性浆料对正极极片倍率性能的影响。通过激光粒度仪和浆料电阻仪测试得出,复配表面活性剂的添加有效地提高了浆料的分散性和稳定性。再结合剥离强度测试,确定了复配表面活性剂的添加比例为0.2 wt.%聚丙烯酸钠（PAAS）/0.3 wt.%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。添加该复配表面活性剂的浆料制备的极片表面平整光滑（几乎不存在团聚,颗粒间连接紧密）,内阻由256.7Ω下降到44.9Ω。电化学测试得出,分散性和稳定性越高的浆料制备的正极极片越能展示出优异的倍率性能。研究了铝箔表面形貌对正极极片倍率性能的影响。为进一步提高正极极片的剥离强度,降低正极极片的内阻,在涂布过程中使用物理辊压法制备的均匀多凹坑铝箔代替传统集流体。扫描电镜、激光共聚焦电镜和N-甲基吡咯烷酮（NMP）接触角测试表明,均匀多凹坑铝箔的表面粗糙度和亲NMP性均优于传统集流体。剥离实验测试表明,均匀多凹坑铝箔的应用有效地提高了正极极片的剥离强度。电化学测试得出,该正极极片展示出了优异的倍率性能,制备的18650圆柱电池在10 C倍率下循环1 000次后放电容量仍达到911.6 m Ah。

关键词： 碳纤维   碳纳米管   钛酸锂   磷酸铁锂   柔性锂离子电池  

摘要： 随着智能电子产品向小型化、集成化和可穿戴化的方向发展,便需要能够与之相匹配的柔性储能设备。传统工艺制备的电极材料通常采用金属集流体涂覆电极材料,在多种形变下易发生应力集中,从而导致活性物质龟裂、脱落等现象,影响储能性能的稳定。碳纤维（CF）具有电导率高、柔性好、机械性能强、可编制等优点,以其作为电极的导电骨架应用于柔性自支撑电极受到广泛关注。但是仅使用CF作为集流体时,活性物质的负载量达到一定程度后会出现活性物质利用率降低、内阻增大等问题。碳纳米管（CNT）是常用在电极领域并具有大长径比、大比表面积的导电纳米材料。阵列碳纳米管（VACNTs）还能够提供高度有序的传导结构和提高电极的机械强度,基于VACNTs的电极材料受到人们广泛的关注。目前在锂离子电池领域中,尚未出现以碳纤维/碳纳米管（CF/VACNTs）杂化材料为电极骨架、通过负载活性物质作为柔性锂离子电池复合正极和复合负极的文献报道,因此,本论文通过在CF上原位生长VACNTs作为柔性自支撑导电骨架,为活性物质的负载提供大的比表面积,为锂离子和电解液提供了垂直传输通道,提高其储能性能。本论文从三个方面开展研究:（1）CF/VACNTs杂化材料的可控制备。为增大催化剂在CF上的负载效率,在CF上进行了包裹Si O2薄层的表面改性,结果显示在水解/热解过程,前驱体溶液中的浓度在10 vol%时Si O2薄层包裹的较为均匀。进一步分析了注射速度、催化剂浓度、气流量对CNT生长取向的影响,结果显示当注射速度为15 m L/h、催化剂浓度为30 mg/m L、气流量为300 sccm时可在CF上生长出VACNTs。另外还研究了生长时间对VACNTs生长长度的影响,结果显示随着生长时间的增长,VACNTs的长度是增大的,当生长时间达到25 min时,其长度可达15μm。（2）CF/VACNTs基复合电极的制备及其储能性能研究。采用CF/VACNTs为柔性电极骨架,通过水热法向其负载负极活性物质Li4Ti5O12（LTO）制备CF/VACNTs/LTO柔性复合负极,负载正极活性物质Li Fe PO4（LFP）制备CF/VACNTs/LFP柔性复合正极。通过调控水热反应中前驱体溶液的浓度、水热反应时间实现在CF/VACNTs杂化材料表面均匀负载活性物质。水热反应后LTO可在VACNTs上形成尺寸为100～200 nm的纳米片状结构,LFP可在VACNTs上形成30～40 nm的球状颗粒结构。将复合正极和复合负极分别组装扣式半电池,CF/VACNTs/LTO柔性复合负极比容量达到166.7 m Ahg-1,10 C的充放电倍率下比容量达到118 m Ahg-1,循环充放电100次后比容量的保持率达到94%。CF/VACNTs/LFP柔性复合正极比容量达到161.8 m Ahg-1,10 C的充放电倍率下比容量达到119.1 m Ahg-1,循环充放电100次比容量的保持率达到97%。（3）CF/VACNTs基锂离子全电池的组装及其储能性能研究。为了研究基于CF/VACNTs导电骨架的复合电极在柔性锂离子电池领域的应用性能,以CF/VACNTs/LTO为负极和CF/VACNTs/LFP为正极,组装扣式锂离子全电池和柔性软包锂离子全电池。扣式锂离子电池的比容量达到143.4 mAhg-1,10 C的充放电倍率下比容量达到119.8 m Ahg-1,循环充放电100次后保持率达到98.67%,柔性软包电池在不同的弯曲形变下其储能性能基本保持稳定,电池的比容量达到142.9 m Ahg-1,10 C的充放电倍率下比容量达到120.1 m Ahg-1,循环充放电100次后保持率达到98.16%。本论文研究了使用CF/VACNTs杂化材料作为柔性电极的导电骨架,可以显著提升电极的比容量和倍率性能,并且展现出良好的耐弯曲形变的性能。这种基于CF/VACNTs柔性导电骨架的研究思路也适用于负载其它电极活性物质制备柔性电极,对新一代柔性锂离子电池的发展提供了新的突破方向。

关键词： 电池回收   高级氧化   废旧磷酸铁锂正极   磷酸铁   锂/钠离子电池  

摘要： 新能源电动汽车的规模化应用,在很大程度上缓解了石油能源短缺及尾气造成的环境污染问题,但作为新能源电动汽车的动力源,其爆发式增长也直接导致了动力锂电池在近年进入到规模化退役期。退役动力锂电池的回收与综合利用是实现资源高值利用、缓解环境风险的重要举措。目前针对电池回收主要分为火法和湿法冶金,但火法存在回收率低、耗能高、负极材料未回收的缺点,而湿法浸出、再分离提纯,具有综合利用、处置灵活的优点。市场上大部分的动力电池正极材料主要分为三元正极和磷酸铁锂两类。近些年,经研究发现磷酸铁也是一种具有潜力的正极材料。因此,本文以磷酸铁锂电池正极材料为研究对象,设计了有机酸浸出法和高级氧化法,分离提纯锂盐和磷酸铁,并进一步通过石墨烯复合及钒氧化物复合以提高磷酸铁电化学储能性能,同时研究回收再生工艺调控复合物的理化特性和储能性能提升的构效关系。研究内容主要包括以下三个方面:（1）初步考察浸出磷酸铁锂正极材料的两种绿色回收方法:有机酸浸出法和高级氧化法。分别以柠檬汁和柠檬酸作为有机酸源,在过氧化氢的氧化作用下,浸出锂离子,分离得到磷酸铁;以具有强氧化性的过硫酸钠为氧化剂,一步法直接浸出分离得到锂和磷酸铁。针对磷酸铁作两条路径处理并加以对比:一是直接用作锂离子、钠离子电池正极,二是采用煅烧的方法补充锂源使磷酸铁再生为磷酸铁锂,再用作锂离子电池正极。通过XRD、SEM、XPS等手段进行表征,再利用电化学测试分析,研究其储锂、钠性能。结果表明,酸浸法和高级氧化法都成功分离出磷酸铁,且成功再生得到磷酸铁锂,但再生磷酸铁锂作为锂离子电池正极的电化学性能不如磷酸铁表现的优异。同时,高级氧化法浸出所得磷酸铁表现出更优异的储锂/钠性能。（2）以磷酸铁为电极材料,并对磷酸铁进行氧化石墨烯复合处理,以期提升磷酸铁的可逆比容量。在过硫酸钠与磷酸铁锂浸出反应过程中加入石墨烯溶液,实现磷酸铁的表面复合氧化石墨烯层,以提高复合物的电子电导率。通过对比实验可知,三个样品中的FePO4-GO-2表现出最优异的循环性能和倍率性能。（3）在以上研究结果的基础上,再对FePO4-GO进行钒氧化物复合,以期进一步提高其充放电比容量和循环稳定性。在浸出反应时加入偏钒酸铵,获得磷酸铁复合钒氧化物和氧化石墨烯片。结果表明,添加10%的钒源时,样品FePO4-V2O5-GO具有最优性能表现。当作为锂离子电池正极时,经过300次循环后还表现出145 m Ah g-1的可逆比容量（1 C）;当作为钠离子电池正极时,经过300次循环后还具有75 m Ah g-1的可逆比容量（1 C）。

关键词： 电化学储能   磷酸铁锂电池   全钒液流电池   电气方案  

摘要： 针对碳达峰碳中和背景下大型电化学储能电站的建设需求,分析比较储能技术路线选择,储能系统配置方案以及电气方案。

关键词： 静置时间   SOC估算   磷酸铁锂电池   OCV  

摘要： 电池的剩余电量(SOC)是动力汽车BMS的重要参数之一。在SOC估算中,精简的开路电压法最为简便。通过对单体磷酸锂电池进行相关实验,研究不同的放电倍率以及不同老化程度对于电池所需静置时间的影响,得出了随着静置时间的增加,不同放电倍率给开路电压值带来的影响会越来越小,以及每循环100次开路电压值大约增加ΔV=0.047的结论。对于类似安时积分法这种需要确定SOC初值的方法具有较好的参考意义。

关键词： 锂电池   超低温   磷酸铁锂   容量  

摘要： 本文针对26650型圆柱电池的低温性能解决方案进行了系统研究。针对磷酸铁锂电池低温性能较差的特点,采用具有纳米片层结构的磷酸铁锂正极、具有硬碳结构的负极材料和低温电解液体系,应用高电导率炭黑添加剂,成功设计并制造出具有良好低温性能的26650圆柱磷酸铁锂锂离子电池。电池在-50℃可以实现96%的放电容量,且在-30℃的1C充放循环寿命达到100次以上。

关键词： 磷酸铁锂电池   固态电解质   固态电池   锂离子电池   三元锂电池   热失控   能量密度   铝电池  

摘要： 近日,由沙特支持的印度研究者Saturnos计划公布其增强蚀变铝离子(Enhanced Altered Aluminum Ion,简称Ea2 I)电池化学成分的独立测试,并于2022年推出固态可充电铝电池。投产后,它将成为世界上第一款商用铝离子固态电池。电池向固态铝离子电池迈进了一步,该电池不使用钴或镍,不存在锂离子的枝晶和热失控火灾问题。相反,Ea2 I系统的阴极使用了高能、可变和无序的岩盐结构,并使用铝和铌以及固态电解质。据了解,铝离子电池的能量密度为1500 Wh/L,有望提供600 Wh/kg能量。作为对比,锂离子电池的能量密度为150~350 Wh/kg,而宁德时代最新研发的钠离子为70~200 Wh/kg。目前常用的磷酸铁锂电池普遍在140 Wh/kg左右,部分三元锂电池能超过200 Wh/kg。

关键词： 动力电池   产量数据   磷酸铁锂电池   环比  

摘要： 10月动力电池产量25.1GWh,增长191.6%产量数据显示,2021年10月,我国动力电池产量共计25.1GWh,同比增长191.6%,环比增长8.4%。其中,三元电池产量9.2GWh,占总产量36.6%,同比增长93.5%,环比下降4.5%;磷酸铁锂电池产量15.9GWh,占总产量63.3%,同比增长314.0%,环比增长17.6%。

关键词： 退役磷酸铁锂   回收   分离   选择性提取   再生  

摘要： 磷酸铁锂电池的产量随着新能源汽车的推广而逐年增加,相应的退役磷酸铁锂电池也大量产生,若不及时处理将会造成环境污染和资源浪费。介绍近几年来退役磷酸铁锂材料资源化再利用的研究进展,包括退役磷酸铁锂材料与集流体分离技术和退役磷酸铁锂材料的再利用技术,其中,退役磷酸铁锂材料的再利用技术包括元素选择性提取、退役磷酸铁锂材料再生等方面,分析了各工艺的优势与不足,最后展望了未来退役磷酸铁锂材料资源化再利用的发展方向。

关键词： 磷酸铁锂电池   铅酸蓄电池   性能特点分析   技术经济比较   站用直流系统  

摘要： 分析磷酸铁锂电池的应用场景,探讨磷酸铁锂电池在储能、电动汽车以及变电站备用电源系统的应用情况,介绍磷酸铁锂电池在某110 kV变电站直流电源系统应用效果。通过磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池性能对比分析,指出铅酸蓄电池由其材料体系和本征特性决定其存在极板裂化、电解液失水、酸液腐蚀等问题,磷酸铁锂电池在常规性能、安全性、温度特性、寿命特性、倍率放电性能和废弃处理等方面存在主要优势,并进一步对两者进行技术经济比较,从性能、购置成本、安装成本、使用维护成本和全寿命周期管理等方面分析磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池的可行性,对变电站直流电源系统智能化应用具有重要意义。