钛酸锂在匀浆过程中的分散性研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiehao2008
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钛酸锂(Li4Ti5O12,简写为LTO)作为锂离子电池负极材料拥有一些独一无二的优点,比如在锂离子嵌入/脱嵌过程中的零应变带来的长循环稳定性、具有十倍于碳材料的优秀的倍率性能,其具有的1.55V电压平台能根本上杜绝锂枝晶导致的各类安全隐患,因此钛酸锂成为近年逐步进入应用视野的锂离子电池新型负极材料。本论文针对钛酸锂油性浆料在分散中存在团聚、粘度不稳定、过筛速率慢等一系列问题进行了研究,主要研究结果如下:  1.进行了一系列LTO浆料的水性匀浆实验和油性匀浆实验,通过细度、粘度变化、极片外观等评测标准对水性钛酸锂浆料和油性钛酸锂浆料进行了对比,发现水性浆料和油性浆料细度都在30μm左右。在粘度稳定性方面,水性浆料在6小时内粘度变化在50%以内,而油性浆料在6小时内粘度变化大于10倍,但油性浆料涂布的极片较水系浆料的极片光滑。然后对油性LTO胶液和油性导电胶液进行了测试,由粘度变化测试可以看出,LTO胶液的粘度在6小时内增长了2倍,而导电胶液的粘度在6小时内粘度仅增长了5%,由此可以看出油性LTO浆料稳定性差主要是LTO颗粒在PVDF胶液中分散稳定性差导致的。油性浆料在放置过程中形成凝胶、微凝胶,这主要受LTO浆料的pH(LiOH,Li2CO3含量),水分等影响。而水性LTO浆料中由于不会受水分和残碱的太多影响,故粘度稳定性较油性好。上述实验为后续的解决方案提供了理论分析。  2.在油性浆料中加入无水草酸,通过浆料粘度变化对无水草酸添加顺序、添加量进行了比较。在添加了无水草酸后,浆料的粘度稳定性明显改善,未添加无水草酸时,浆料粘度在7小时增加10倍以上。比较了将无水草酸添加到胶液中再加入LTO以及将无水草酸添加到LTO胶液中两种添加方式,发现最好的添加方式是在LTO胶液中加入无水草酸。添加了1wt%无水草酸后,浆料粘度在7小时内仅仅增长了50%左右。然后对无水草酸添加量进行了实验,添加0.5wt%量的无水草酸后,浆料粘度在7小时内增加了3倍,粘度不稳定,说明0.5wt%的无水草酸不足以除去LTO里的残碱,浆料还是存在微凝胶。当无水草酸添加量达到0.75wt%和1wt%后,浆料粘度在7小时内维持在一个稳定的状态,可以推测此时浆料中没有碱性物质了。因此无水草酸的添加量在0.75wt%-1wt%区间范围内。  3.将KD-1、TNNDIS、AD8029、BYK4种分散剂加入到LTO浆料中,通过粘度测试、过筛速率测试筛选出了最佳分散剂TNNDIS,添加了TNNDIS分散剂后,整体粘度下降了45%,过筛速率提高了一倍。通过比较分散剂类型,推测出含有羟基的醇类分散剂对LTO颗粒的分散效果最佳。然后对添加了分散剂的浆料进行了涂布以及电池的组装,对电池的阻抗和倍率性能进行了测试。发现在0.5wt%添加量时,Rct(电荷转移电阻)最低,而继续增加分散剂的添加量,Rct(电荷转移电阻)又开始增加。这可以解释为加入少量TNNDIS时,电池浆料里面的导电剂分散更好,促使阻抗减小,但由于TNNDIS本身不导电,因此在TNNDIS添加量增大时,电池的阻抗又增加了。在倍率测试中,0.3wt%的TNNDIS添加量对LTO电池倍率的发挥是有利的,0.5wt%的TNNDIS添加量要优于0.3wt%,在0.7wt%的添加量时,容量发挥有所下降,1wt%的添加量下降的更多。说明TNNDIS的最佳添加量在0.5wt%左右。在0.1C循环性能测试中,当分散剂添加量为0.5wt%时,电池循环性能更好,容量保持率为89.1%,高于空白组的86.9%,且首次充放电效率更高,极化更小。
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