關(guān)鍵詞:新能源汽車;電池材料;電化學(xué)性能;制備
中圖分類號(hào):U465 DOI :10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.003
Research on Electrochemical Performance and Preparation of New Energy Vehicle Battery Materials
Abstract: In order to further improve battery performance and reduce cost, this paper first describes the evaluation indexes ofelectrochemical performance, positive electrode materials and their electrochemical properties, providing a theoretical basis forsubsequent preparation and performance research. Secondly, the cathode material of new energy vehicle battery was prepared,including raw materials and instruments, preparation process and performance testing and characterization; Finally, the paper discussesand analyzes deeply, and provides theoretical basis and practical guidance for the development and application of new energy vehiclebattery materials.
Key words: New energy vehicles;Battery materials;Electrochemical performance;Preparation
0引言
近年來,新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。作為新能源汽車的核心組件,電池材料的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到車輛的續(xù)航里程、使用壽命及安全性。目前,新能源汽車電池正極材料的研究已取得了顯著成果,如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等材料的廣泛應(yīng)用。但該領(lǐng)域仍面臨成本降低、能量密度提升以及循環(huán)性能優(yōu)化等多重挑戰(zhàn)。在此背景下,深入研究電池正極材料的電化學(xué)性能及其制備技術(shù),具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。一方面,這有助于進(jìn)一步提升電池的整體性能;另一方面,通過技術(shù)創(chuàng)新,能夠顯著降低生產(chǎn)成本,從而有力推動(dòng)新能源汽車的普及與發(fā)展。
1電池正極材料及其電化學(xué)性能
1.1電化學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
鑒于新能源汽車電池材料在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的核心地位,對(duì)其電化學(xué)性能的全面評(píng)估顯得尤為重要。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括比容量、循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能以及安全性等多個(gè)方面。其中,比容量是衡量電池儲(chǔ)能能力的重要參數(shù),直接關(guān)系到電池的能量密度與續(xù)航能力;循環(huán)穩(wěn)定性反映了電池在長期使用中的性能保持能力,是評(píng)估電池壽命的關(guān)鍵指標(biāo);倍率性能關(guān)乎電池的快充快放能力,對(duì)于提升用戶體驗(yàn)至關(guān)重要;而安全性,特別是在極端條件下的表現(xiàn),則是確保電池安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。通過綜合考量這些指標(biāo),能夠更全面地評(píng)估新能源汽車電池材料的電化學(xué)性能,為材料優(yōu)化與電池設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
1.2正極材料及其電化學(xué)性能
新能源汽車電池正極材料需滿足高比容量、長循環(huán)壽命、優(yōu)異倍率性能及高安全性等基本要求,這些特性直接影響電池的整體性能?,F(xiàn)有電池正極材料諸如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等各具特色:鈷酸鋰能量密度高,但循環(huán)穩(wěn)定性需優(yōu)化;錳酸鋰成本低廉,循環(huán)性能良好,但比容量相對(duì)有限;磷酸鐵鋰則以其長循環(huán)壽命與高安全性著稱,但能量密度尚有較大提升空間。為此,為進(jìn)一步提升正極材料性能,眾多專家與學(xué)者采取了多種改性策略。例如,摻雜改性通過引入其他元素,調(diào)整材料晶體結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)電子傳導(dǎo)與離子擴(kuò)散能力;包覆改性則利用導(dǎo)電材料或保護(hù)層,提高材料表面穩(wěn)定性與電化學(xué)反應(yīng)活性;納米化技術(shù)通過減小顆粒尺寸,增大比表面積,縮短離子擴(kuò)散路徑,從而顯著提升材料的電化學(xué)活性[2]。這些改性方法為正極材料性能的優(yōu)化提供了有效途徑,有力推動(dòng)了新能源汽車電池技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。
2新能源汽車電池正極材料制備
本文采用熔融擴(kuò)散法制備新能源汽車電池正極材料,通過精確控制熔融溫度、時(shí)間以及原料配比等關(guān)鍵工藝參數(shù),制備出性能優(yōu)異、成分均勻的正極材料。熔融擴(kuò)散法的基本原理在于,利用高溫環(huán)境促使不同成分的材料熔融并相互擴(kuò)散,最終形成均勻的復(fù)合材料。該方法在新能源汽車電池正極材料的制備中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。一方面,它確保了材料成分的均勻分布,有效規(guī)避了傳統(tǒng)制備方法中可能出現(xiàn)的成分偏析問題,進(jìn)而提升了正極材料的整體性能。另一方面,該工藝步驟相對(duì)簡單,易于操作,有助于降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率,為新能源汽車電池正極材料的規(guī)?;a(chǎn)提供了可能。
2.1制備原料與儀器
電池正極材料的制備過程中,試驗(yàn)試劑原料的選擇至關(guān)重要,主要包括活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以及其他輔助材料。表1列出了制備正極材料所需的原料及其規(guī)格。
將表1所列原料按比例精確配比并混合后,構(gòu)建了電池正極材料的基礎(chǔ)框架,并使其具備了特定的電化學(xué)屬性。與此同時(shí),試驗(yàn)過程中還需借助一系列先進(jìn)的儀器與設(shè)備,包括但不限于涂布機(jī)、干燥箱及高溫管式爐等,這些設(shè)備為正極材料的制備提供了必要的條件與技術(shù)支撐。本文采用多硫化物L(fēng)i2S6作為催化劑材料,其通過升華硫與硫化鋰的化學(xué)反應(yīng)制備而成。具體合成過程為:在氬氣保護(hù)氛圍下,將硫化鋰與升華硫以1:5的摩爾比例混合,加入到1,2-二甲氧基乙烷(DME)和1,3-二氧環(huán)己烷(DOL)按1:1體積比配制的混合溶劑中,持續(xù)攪拌24h,最終制得含有Li2S6的懸浮液[3]。此懸濁液作為催化劑材料的前驅(qū)體,在后續(xù)正極材料制備過程中發(fā)揮重要作用。值得注意的是,合成過程中使用的細(xì)菌纖維素需經(jīng)過特定處理,以保證催化劑材料的純度與性能。
2.2制備過程
通常,升華硫與納米材料的復(fù)合比例設(shè)定在4:6至1:9之間。較低的升華硫比例雖能減少活性物質(zhì)用量,但會(huì)導(dǎo)致容量受限;而過高的比例雖能提升初始容量,卻會(huì)加速電池容量的衰減[4]。因此,本研究選取了空心MoP@NC納米材料,使其與升華硫按照質(zhì)量比2:8充分復(fù)合,待其自然冷卻后,成功制備出MoP@NC/S正極材料。與此同時(shí),為進(jìn)行性能對(duì)比,還制備了質(zhì)量比分別為MoP:S=2:8與SP:S=2:8的復(fù)合材料。
在瑪瑙研缽中,將材料按質(zhì)量比1:1:1混合,并經(jīng)過20min的細(xì)致研磨,以確保各組分均勻分布。而后,將復(fù)合材料移至稱量瓶中,加入足量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液及催化劑,攪拌約1.5~2h,直至漿料均勻[5]。接下來,把漿料均勻涂布于鋁箔表面,置于真空干燥箱內(nèi),于120℃下干燥8h,以去除溶劑并實(shí)現(xiàn)初步固化。干燥后的極片經(jīng)過對(duì)輥機(jī)輥壓處理,顯著增加了密實(shí)度與機(jī)械強(qiáng)度。再借助切片機(jī)將極片切割成直徑為1cm的圓形。然后,將黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑及MoP@NC/S材料按照1:2:7的質(zhì)量比例混合,并再次經(jīng)過研磨與攪拌,得到流動(dòng)性適宜的漿料。隨后,用推棒將漿料均勻涂敷在涂碳鋁箔上,進(jìn)行3h的干燥處理。待大部分溶液揮發(fā)后,將其轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中繼續(xù)干燥12h,以確保材料完全固化。最后,使用壓片機(jī)將集流體沖制成直徑為12mm的圓片,即得到所需的新能源汽車電池正極極片。
2.3性能測試與表征
2.3.1微觀形貌觀察
本文采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)正極材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。該儀器因具有高分辨率和制樣便捷等優(yōu)點(diǎn),在納米材料,特別是顆?;蛭⒕С叽缭?.1~100nm范圍內(nèi)的材料觀察中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。具體而言,本文使用的場發(fā)射掃描電子顯微鏡型號(hào)是德國蔡司生產(chǎn)的Ultra55,其加速電壓設(shè)置成5kV,非常適合于材料表面的初步觀察,能夠清晰地展現(xiàn)正極材料的尺度和形貌特征。對(duì)于導(dǎo)電性能不足的樣品,本研究在測試前進(jìn)行了噴金處理,有效提升了樣品的導(dǎo)電性,從而優(yōu)化了圖像質(zhì)量[6]。隨后,將加速電壓設(shè)定為20kV,對(duì)樣品表層的元素分布進(jìn)行了深入分析,為全面評(píng)估材料性能提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。
2.3.2相組成分析
本研究運(yùn)用X射線衍射(XRD)技術(shù)對(duì)正極材料的相組成進(jìn)行分析,以確認(rèn)目標(biāo)產(chǎn)物的有效合成。該技術(shù)利用高能X射線束作為探測光源,將其投射至預(yù)處理后的樣品上(樣品需制備為薄膜或粉末形態(tài)以滿足測試要求)。當(dāng)射線與樣品晶體內(nèi)部的原子相互作用,且入射角、射線波長以及晶面間距符合布拉格衍射定律時(shí),會(huì)引發(fā)衍射效應(yīng),形成一系列特征性的衍射峰或點(diǎn)[7]。通過探測器捕獲這些衍射信息,并利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與解析,最終可獲得樣品的晶體結(jié)構(gòu)特征。XRD技術(shù)能夠提供關(guān)于材料結(jié)構(gòu)類型、晶格參數(shù)及原子排列方式的關(guān)鍵信息。通過比對(duì)已知材料數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)觀測的衍射圖譜,不僅成功確認(rèn)了正極材料中Mo、P、C、N等元素的存在,還驗(yàn)證了所得材料的純相性。此外,XRD技術(shù)還具備定量分析的能力,能夠精確測定混合物中各組分的含量與比例。
在場發(fā)射掃描電子顯微鏡的觀察下,經(jīng)過自組裝和高溫磷化處理的MoP@NC多孔材料呈現(xiàn)出表面多孔且顆粒分布均勻的結(jié)構(gòu)特征,內(nèi)部則為空心構(gòu)造。經(jīng)過高溫煅燒后,材料球體直徑縮減至約500nm,同時(shí)殼層之間出現(xiàn)粘連與斷裂現(xiàn)象。相比之下,未受碳層保護(hù)的金屬顆粒發(fā)生了聚集,導(dǎo)致活性位點(diǎn)數(shù)量減少。通過比對(duì)各種碳源包覆后的材料性能,可以發(fā)現(xiàn)檸檬酸作為碳源時(shí),材料展現(xiàn)出最佳的放電性能,其放電平臺(tái)平穩(wěn)且比容量高達(dá)538.3mAh/g。圖1示出了不同碳源種類對(duì)正極材料放電性能的影響曲線。
進(jìn)一步地,本研究通過氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)詳細(xì)測定了材料的孔徑分布情況和比表面積,同時(shí)利用四探針法在室溫條件下精確測量了MoP@NC納米材料的電子電導(dǎo)率。通過在不同壓力條件下對(duì)材料電阻率的測試,并結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算,可得出其電導(dǎo)率,并將該結(jié)果與MoP納米顆粒以及Super-P導(dǎo)電材料進(jìn)行了對(duì)比分析[8]。此外,在充滿氬氣的手套箱中組裝了電池,并在恒溫條件下對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)性能測試。
3結(jié)果與分析
本文通過一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)正極材料的放電性能進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明,檸檬酸作為碳源在提升正極材料的放電性能方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。此外,本文還進(jìn)一步探究了不同煅燒溫度下二硫化鐵包覆檸檬酸的放電性能,并繪制了不同煅燒溫度對(duì)正極材料放電性能影響的曲線圖,如圖2所示。
在煅燒時(shí)間為25h、放電電流密度為100mA/cm2的條件下,正極材料的放電平臺(tái)持續(xù)時(shí)長及電壓降低速率隨煅燒溫度的不同而呈現(xiàn)出顯著差異。具體而言,當(dāng)煅燒溫度為400℃和500℃煅燒溫度下,正極材料放電平臺(tái)面積較小,由此電流衰減較快,比容量相對(duì)較低,分別是234.1mAh/g與442.5mAh/g。而當(dāng)煅燒溫度調(diào)整至450℃時(shí),正極材料展現(xiàn)出更大的放電平臺(tái)、更長的放電持續(xù)時(shí)間、更高的整體放電效率以及更緩慢的電壓降低速率。在電壓低至1.5V時(shí),比容量達(dá)到峰值538.3mAh/g。這一結(jié)果表明,450℃是優(yōu)化二硫化鐵碳包覆正極材料電化學(xué)性能的最佳煅燒溫度。
本文通過對(duì)不同碳源涂層及煅燒溫度條件下正極材料的放電性能進(jìn)行深入研究,有效揭示了正極材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。其中,檸檬酸作為碳源在提升正極材料的放電效率和比容量方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。450℃的煅燒溫度被確定為優(yōu)化二硫化鐵碳包覆正極材料性能的關(guān)鍵參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅為新能源汽車電池正極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù),還為后續(xù)的材料改性研究指明了方向與思路。
4結(jié)束語
綜上所述,本文采用熔融擴(kuò)散法成功制備了電池正極材料,并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了分析。一方面,本研究有效揭示了不同制備參數(shù)對(duì)正極材料性能的顯著影響;另一方面,提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略,為提升電池性能提供了新的思路和視角。未來,我們將持續(xù)關(guān)注并聚焦于新型材料的探索與制備工藝的創(chuàng)新,例如開發(fā)高效包覆技術(shù)、引入新型摻雜元素等,以期進(jìn)一步提升電池的能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性以及安全性。