锂离子电池正极用基于聚苯胺和聚吡咯的PTC电极研究

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随着锂离子电池能量密度、功率密度的逐渐提升,其突发的安全问题也引起了人们更多的关注。调研发现,引发锂离子电池安全事故的根本原因是热失控。采用正温度系数(PTC)电极是提升其安全性能的一种有效举措,作用原理是在高温下增大电极的欧姆极化从而关闭电池反应,抑制电池发生热失控。本文通过涂覆、电沉积的方法在正极集流体上制备出三种超薄的聚合物正温度系数(PPTC)导电材料层,再涂覆三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3(NCM523)制备出PPTC安全电极。对PPTC电极材料及其结构进行表征,重点探究PPTC安全电极对锂离子电池在常温下电化学性能和高温下热安全性能的影响。主要研究内容和结论如下:(1)通过流延涂覆法制备出的三组聚苯胺和碳纳米管配比分别为8:1、7:2和6:3的PAN-CNTs复合PPTC电极,涂覆厚度约3-5μm。红外吸收光谱分析表明导电聚苯胺呈中间氧化态;随着CNTs含量的增加,EIS曲线中的Rct值逐渐减小;选择7:2的配比时,PPTC电极展示出较好的电化学性能,高温阻抗测试发现Rct值增大了5.4倍。结果表明,PPTC涂层电极在锂离子电池中既能够显示出良好的电化学稳定性,相对于参照电极又显示出优良的热安全性能。(2)为进一步降低PPTC材料层厚度从而提升电池的能量密度,通过三电极循环伏安法,控制扫描圈数n制备出三组厚度不同的电沉积聚苯胺PPTC电极,沉积厚度约1-3μm。电沉积制备的导电聚苯胺呈中间氧化态并伴有硫酸根掺杂;随着合成聚苯胺扫描圈数n的增大,阻抗谱图中的Rct值逐渐增大,电池整体电化学性能受到影响但小倍率循环充放电基本稳定;高温阻抗测试电极PAN/n=8、PAN/n=9和PAN/n=10的电荷转移阻抗分别增大了6.68倍、4.14倍和6.76,安全性能得到提升。(3)为进一步减薄PPTC材料层厚度从而提升电池的电化学性能,通过三电极循环伏安法,控制扫描圈数制备出三组厚度不同的电沉积聚吡咯PPTC电极,沉积厚度小于1μm。红外吸收光谱分析表明电沉积的材料为硫酸根掺杂的导电聚吡咯;当扫描圈数较小时,相对于参照电极,电沉积聚吡咯PPTC电极的循环性能和倍率性能略有提升,随着扫描圈数n的增加,其循环稳定性能和倍率性能均有一定降低;高温阻抗测试电极PPy/n=7、PPy/n=9和PPy/n=12的电荷转移阻抗分别增大了12.23倍、13.92倍和7.02倍,安全性能有了进一步提升。
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