電力能源中鋰離子電池儲(chǔ)鋰性能技術(shù)提升探究

薛靜杰，荊世博，陳露鋒， 王成剛，周文進(jìn)

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830000； 2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.北京國(guó)網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京 100010)

近年來(lái)，隨著各種電子產(chǎn)品的應(yīng)用，鋰離子電池的需求越來(lái)越大。電力能源設(shè)備的升級(jí)和發(fā)展，使得傳統(tǒng)的鋰離子電池安全性較差，電池性能不再滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的使用需求。因此，新型 Ti3C2負(fù)極材料隨之誕生。該材料屬于二維材料，導(dǎo)電性較好，在儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用。但該材料在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極易出現(xiàn)堆疊問(wèn)題，使得離子吸附能力降低，從而降低了電池性能。因此，如何減緩 Ti3C2堆疊，提高鋰離子電池性能，成為當(dāng)前電力能源領(lǐng)域研究的熱門話題，對(duì)其進(jìn)行性能改進(jìn)具有較大的研究意義。針對(duì)高性能低成本鋰離子材料進(jìn)行了深入研究，選擇使用新型的 Ti3C2材料作為電池材料，進(jìn)一步提升了鋰離子電池的性能；提出了基于加速壽命試驗(yàn)的鋰離子電池可靠性分析方法，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此方法很大程度上提高了電池壽命，具備一定的可行性[2]；何聲太等深入探究了SnO2-MoO(3-x)/CNTs納米復(fù)合材料在鋰離子電池負(fù)極中的性能，結(jié)果表明:此材料具有一定的吸附能力，能夠加強(qiáng)與電池的集合，電池儲(chǔ)能效果顯著提升[3]。結(jié)合以上學(xué)者經(jīng)驗(yàn)，以Ti3C2為研究對(duì)象，提出基于 Ti3C2的表面性能改進(jìn)方法，以提高電力能源鋰離子電池的儲(chǔ)存性能，為電力能源領(lǐng)域的電離子研究提供參考。

加快城區(qū)、旅游鄉(xiāng)鎮(zhèn)及各旅游景區(qū)景點(diǎn)的旅游集散中心、旅游服務(wù)站、旅游停車場(chǎng)、旅游公共廁所等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。依托重點(diǎn)旅游區(qū)、旅游線路和旅游景點(diǎn)，建設(shè)騎行綠道和自駕車營(yíng)地，并加強(qiáng)旅游休閑購(gòu)物街區(qū)、旅游娛樂(lè)設(shè)施的建設(shè)，以為游客打造舒適休閑的旅游體系為前提對(duì)景區(qū)進(jìn)行合理的開(kāi)發(fā)改造。

1 材料制備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別為：FlexSEM1000II型鎢燈絲掃描電子顯微鏡(日立公司 )、TD-5000X射線單晶衍射儀(通達(dá)公司)、Axiocam 503 mono型顯微鏡(深圳康達(dá)有限公司)和JT-2000型比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析儀(北京海鑫瑞科技有限公司)[4]。

其中，顯微鏡主要用于觀察微觀細(xì)節(jié)，電壓為 0.5～30 kV，分辨率為3 nm； 衍射儀負(fù)責(zé)表現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)[5]。X射線發(fā)射源為 Cu靶(Ka)，其入射波長(zhǎng)λ為1.548 1 ?，2θ，掃描角度為5°～90°，掃描速度在 2°/min，電壓和電流分別為45 kV和40 mA[6]。

觀察組護(hù)理質(zhì)量（93.27±3.85）分，對(duì)照組護(hù)理質(zhì)量（84.59±4.18）分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=11.831，P=0.000）。

1.2 材料制備

從圖3(a)、(a′)可以看出，金屬鈦片初始狀態(tài)下，表面光滑，色澤明顯，進(jìn)行TMAOH處理后，光澤度不見(jiàn)；從圖3(b)、(b′)可以看出，碳粉的顏色由深到淺，且出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，表明TMAOH對(duì)碳粉具有化學(xué)效應(yīng)。

雖然中美兩國(guó)國(guó)情并不相同，但實(shí)際上市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律的相似性更大。在上海大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院的教授張思科看來(lái)，資源整合是市場(chǎng)發(fā)展的內(nèi)在需求，而整合是必走的一步，兼并或者收購(gòu)必然會(huì)在物流領(lǐng)域發(fā)生的頻次越來(lái)越多。

在容器中倒入20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的四甲基氫氧化銨(TMAOH)溶液，之后再倒入200 mg的Ti3C2；然后，不斷地進(jìn)行攪拌使其融合，攪拌溫度與轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為40 ℃和 20 r/min[7]，得到TMAOH的pH值測(cè)試值如圖1所示。

在變電站匯控箱安裝模塊化的智能溫濕度測(cè)控器，實(shí)施監(jiān)測(cè)、顯示、記錄每臺(tái)抽濕機(jī)的工作狀態(tài)，并可通過(guò)終端監(jiān)控軟件平臺(tái)手動(dòng)對(duì)抽濕機(jī)的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將濕度參數(shù)與抽濕機(jī)啟停進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)濕度超高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)抽濕機(jī)，消除濕氣對(duì)設(shè)備的腐蝕危害，提高了電氣絕緣性能，保障設(shè)備的運(yùn)行安全[1]。

由圖1可以看出，該溶液的pH值測(cè)試值為14。

2)多孔Ti3C2納米點(diǎn)材料透析

待以上材料融合后，將產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的液體倒置在透析袋內(nèi)；待其靜置7 d后再進(jìn)行查看。通過(guò)透析后發(fā)現(xiàn)，該液體的pH值為6。

凡事預(yù)則立不預(yù)則廢。早在11月3日新的堰塞湖形成的當(dāng)天，云南電網(wǎng)公司就組織技術(shù)專家完成了堰塞湖自然溢流和潰壩情況下對(duì)電力電量平衡以及電廠大壩的影響，力求做到洪水過(guò)境，成足在胸。

1)多孔 Ti3C2納米點(diǎn)材料(p-Ti3C2)制備

3)多孔 Ti3C2納米點(diǎn)材料收集

柏林如今成為歐洲新興的創(chuàng)意文化之都。每年有來(lái)自世界各地的畫家、音樂(lè)家、建筑師和設(shè)計(jì)師來(lái)到這座城市，把那些老住宅、老廠房、老倉(cāng)庫(kù)改造成藝術(shù)工作室。“德意志不是一個(gè)輕舉妄動(dòng)的民族，一旦他走上任何一條道路，就會(huì)堅(jiān)忍不拔地把這條路走到底。”今天，選擇走創(chuàng)新路線的德國(guó)民眾正天馬行空、一刻不停地生產(chǎn)“點(diǎn)子”、創(chuàng)造“點(diǎn)子”，各種搞怪造型的柏林熊正淋漓盡致地體現(xiàn)著這種創(chuàng)新精神。你想把哪一頭抱回家呢？

透析完成后，將得到的溶液根據(jù)1∶10的占比進(jìn)行稀釋，稀釋溫度控制在20 ℃以下，并進(jìn)行1 h的超聲；之后再對(duì)該溶液進(jìn)行冷萃處理，將其烘干 3～4 d后，由此得到多孔納米點(diǎn)材料 p-Ti3C2[8]。

1.2.2電極片的制備

③加強(qiáng)流域本底調(diào)查、監(jiān)測(cè)與分析，構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺(tái)。調(diào)水前和調(diào)水后漢江中下游生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比分析是實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償?shù)闹匾罁?jù)，準(zhǔn)確掌握調(diào)水后各項(xiàng)潛在受影響指標(biāo)至關(guān)重要。因此，必須對(duì)漢江中下游區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行全面深入細(xì)致的摸底調(diào)查、監(jiān)測(cè)和分析，獲取準(zhǔn)確的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。應(yīng)積極爭(zhēng)取國(guó)家加大對(duì)漢江流域環(huán)境監(jiān)管能力的投入力度，建立和完善水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息服務(wù)平臺(tái)，從而為調(diào)水后觀察環(huán)境變化、后續(xù)生態(tài)環(huán)境治理保護(hù)、爭(zhēng)取國(guó)家政策支持，提供科學(xué)支撐和服務(wù)。

1.2.3電池組裝

為驗(yàn)證Ti3C2材料的表征效果，采用X射線單晶衍射儀對(duì)Ti3AlC2、Ti3C2、p-Ti3C2進(jìn)行衍射，得到的能譜圖結(jié)果如圖2所示。

選擇循環(huán)伏安法(CV)，主要是在電池電壓運(yùn)行的狀況下，對(duì)需要測(cè)試的材料進(jìn)行正、負(fù)2個(gè)方向的掃描，然后根據(jù)其電流等變化趨勢(shì)，采用分析儀進(jìn)行材料性能分析。速率控制在0.1 mV/s，電壓大小設(shè)置0.01～3 V[13]。

將活性材料、乙炔黑等材料根據(jù)比例進(jìn)行分散和研磨，然后涂抹至銅箔表面，再進(jìn)行烘干；干燥時(shí)間和溫度分別為12 h和110 ℃。待該材料溫度回到正常溫度時(shí)，利用壓片機(jī)將其粉末進(jìn)行壓制，設(shè)置壓力大小為5～10 MPa[9]。最終得到的主要活性物質(zhì)：TiO2/T-Ti3C2、多孔Ti3C2和p-Ti3C2。

1.2.4測(cè)試方法

2 結(jié)果與分析

2.1 材料表征

帶上手套箱，將以上電極片的材料根據(jù)材料性質(zhì)進(jìn)行組裝，之后通過(guò)封口機(jī)進(jìn)行封閉，壓力設(shè)置在80～100 MPa[10]。封裝時(shí)間達(dá)到8 h后，即可對(duì)該材料進(jìn)行測(cè)試[11]。

圖2 3種材料測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.2 The test data of three materials

為更好的獲得TMAOH對(duì)Ti3C2材料的處理效果，本實(shí)驗(yàn)以金屬鈦片和碳粉為實(shí)驗(yàn)?zāi)MTi3C2材料，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 TMAOH對(duì)Ti3C2材料的處理過(guò)程Fig.3 Treatment process of Ti3C2 material by TMAOH

1.2.1納米點(diǎn)材料制備

綜合分析可知，TMAOH與Ti3C2材料產(chǎn)生反應(yīng)，主要體現(xiàn)在其Al原子層，當(dāng)材料中不存在Al原子時(shí)，反應(yīng)元素轉(zhuǎn)變?yōu)門i原子和C原子，直至Ti3C2材料表面出現(xiàn)完整孔洞。其中，孔洞脫落的Ti3C2材料會(huì)采用靜電吸附方式吸附在多孔Ti3C2材料表面，由此得到多孔Ti3C2納米點(diǎn)材料(p-Ti3C2)，且解決了表面堆疊的問(wèn)題。

農(nóng)產(chǎn)品深加工產(chǎn)業(yè)園里，建設(shè)場(chǎng)面熱火朝天，安徽省小崗盼盼食品公司總經(jīng)理步顯勇時(shí)刻關(guān)注，“預(yù)計(jì)11月底部分廠房可以建成投產(chǎn)，這是小崗村農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要一環(huán)，不容有失?！?/p>

2.2 電化學(xué)測(cè)試

為驗(yàn)證p-Ti3C2對(duì)鋰離子電池的儲(chǔ)鋰性能，本次實(shí)驗(yàn)將對(duì)該材料進(jìn)行CV測(cè)試，電壓大小為0.01～1 V，掃速設(shè)置為0.1 mV/s，測(cè)試曲線如圖4所示。

圖4 Ti3C2的CV曲線Fig.4 The CV curve of Ti3C2

由圖4可知，掃描1圈后，在電壓為0.2 V 時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的起伏，主要原因是p-Ti3C2對(duì)鋰離子電池中的鋰元素進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。在第2圈后，電壓在1.0 V 左右出現(xiàn)較小的起伏，且與第3圈曲線存在一定的變化，沒(méi)有完全重合。

為更好地看出p-Ti3C2的儲(chǔ)鋰性能，將p-Ti3C2與 氧化石墨烯(GO)進(jìn)行復(fù)合，用于提升p-Ti3C2的電化學(xué)性能；圖5為氧化石墨烯的透射電子顯微鏡(TEM) 圖。由圖5可清晰的看出，氧化石墨烯結(jié)晶性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)清晰明了。

圖5 氧化石墨烯的TEM圖像Fig.5 The XRD map and TEM plots of GO

本次實(shí)驗(yàn)將p-Ti3C2與氧化石墨烯(GO)按照 1∶0、1∶1、1∶3、3∶1 和 0∶1的占比進(jìn)行融合，并將其均勻涂抹在銅箔集上，得到電極片p-Ti3C2、1∶1/p-Ti3C2∶GO、1∶3/p-Ti3C2∶GO、3∶1/p-Ti3C2∶GO和氧化石墨烯。各材料的倍率變化曲線如圖6所示。

(a)倍率性能曲線

由圖6可知，在小電流密度下，1∶3/p-Ti3C2∶GO 的比容量處于第1位，然后是 3∶1/p-Ti3C2∶GO、氧化石墨烯和 1∶1/p-Ti3C2∶GO，p-Ti3C2是比容量最低的材料。表明在p-Ti3C2中加入氧化石墨烯能夠提高其儲(chǔ)鋰性能。電流密度得到提升后，3∶1/p-Ti3C2∶GO 的材料性能優(yōu)越，再對(duì)電流密度進(jìn)一步加大，3∶1/p-Ti3C2∶GO 的儲(chǔ)鋰性能依舊為最優(yōu)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)TMAOH對(duì)Ti3C2進(jìn)行處理，制備的多孔 Ti3C2納米點(diǎn)材料(p-Ti3C2)具備有效性，該方法在很大程度上能夠減緩Ti3C2的堆疊問(wèn)題；在該材料中增加氧化石墨烯， p-Ti3C2儲(chǔ)鋰能力顯著提升。結(jié)果表明： p-Ti3C2∶GO 最優(yōu)融合占比為 3∶1；在小電流密度下，3∶1/p-Ti3C2∶GO 可提供300 (mA·h)/g的高比容量，即使對(duì)電流密度進(jìn)行調(diào)整后，3∶1/p-Ti3C2∶GO 能夠取得較高容量比，表明該材料結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)定。