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基于磷酸铁锂和活性炭的混合型电化学储能器件研究

北极星储能网  来源:储能科学与技术  作者:张世明等  2018/3/22 13:33:59  我要投稿  

北极星储能网讯: 基于磷酸铁锂(LiFePO4)和活性炭(AC)两种单体材料成功构建了磷酸铁锂/活性炭(LiFePO4/AC)复合正极。进一步,通过优化LiFePO4/AC复合电极中两种单体材料的质量比、选择亚微米尺寸的石墨为负极材料,  组装了基于“LiFePO4+AC/石墨”体系的电化学储能器件(锂离子电容器),同时制备了AC/AC超级电容器作为参照。研究表明,不同类型黏结剂对AC电极的电容特性影响非常显著,其中LA133水性黏结剂的电极性能优于油性黏结剂的;此外,制备的LiFePO4/AC复合正极表现出了电容和电池的双重特性,且复合电极的构建有利于锂离子的嵌入和脱出。复合正极中LiFePO4含量为40%(质量分数)时,构建的锂离子电容器比能量为AC/AC超级电容器的4倍(约40  W˙h/kg,以活性材料质量计),可实现10 C快速充放电;5000次循环后,锂离子电容器和AC/AC超级电容器容量保持率相近,约为初始容量的75%。

图1 (LiFePO4+AC)/石墨锂离子电容器工作原理图

实验结果与讨论

1 形貌结构分析

图2 不同石墨负极材料的SEM图(a)FSN-1和(b)CP-5 (插图为其充放电曲线)

图3 不同正极材料的SEM图(a)AC;(b)LAC20;(c)LAC40;(d)LAC60;(e)LAC80;(f)LFP

2 电化学表征

图4 不同复合材料的XRD曲线(a)AC;(b)LAC20;(c)LAC40;(d)LAC60;(e)LAC80;(f)LFP

图5 不同黏结剂制备扣式AC/AC电容器的CV曲线(扫描速度:50  mV/s):LA133(黑),PVDF-HSV900(红),PVDF-5130(蓝)

图6 不同扣式电池的CV曲线(a)AC/Li和(b)LAC20/Li(黑);LAC40/Li(红);LFP/Li(蓝)

图7 不同电极的扣式电池性能(a)1 C倍率下充放电曲线;(b)电极克容量(1 C)随LFP含量变化曲线;(c、d)不同倍率下的容量及其保持率

图8  LAC40/graphite锂离子电容器对比AC/AC超级电容器(a、b)不同倍率充放电曲线;(c)Ragone图;(d)10C倍率下循环寿命曲线

3 结论

本工作通过对几种锂离子电池正极商用黏结剂的比较表明,水性较油性黏结剂有利于AC电容特性的体现,特别是LA133水性黏结剂最为明显。通过构建兼具双电层行为和氧化还原特性的LiFePO4/AC复合正极,比较了不同质量比对电极性能的影响,发现LiFePO4占比40%时的复合电极具有较高的比容量和良好的容量保持率。将优化后的复合正极与亚微米尺寸的石墨负极组装成锂离子电容器,能量密度约为AC/AC超级电容器的4倍,二者在10  C充放电倍率下的循环寿命相当5000圈后保持约75%。本工作研究所用原材料均为市场化产品,对高性能锂离子电容器的研制和产业化具有参考意义。

原标题:基于LiFePO4和活性炭的混合型电化学储能器件研究

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