锡碳复合材料的电化学性能研究及动力电池热管理系统的开发

锡是锂离子电池负极材料的最优选的材料之一,单质锡具有较高的理论容量(993 mAh g~(-1)),同时具有优异的导电性。但是,锡和锂离子合金化反应过程中形成较大的体积膨胀,容易造成活性材料粉化和脱落,制约了锡基负极材料的商业化应用。低熔点的锡在制备过程中形成局部团聚和再结晶,致使制备高分散锡纳米颗粒比较困难。针对如此问题,本文通过两种方式有效抑制锡在制备过程中的团聚和前期容量损失问题。首先,通过简易的模板法制备出碳管包覆锡纳米颗粒结构(Sn@aCT),纳米尺寸的锡可以有效避免锂化过程中体积膨胀,碳管组成导电网络形成支撑框架,这种复合材料作为锂离子电池负极表现出了优异的电化学性能。通过透射电子显微镜跟踪验证了制备过程中各阶段的形貌符合预定的结构设想。电化学测试表明,锡纳米颗粒的高容量和碳纳米管的高稳定性结合于一起,显示出长循环下的容量保持能力,在0.1 A g~(-1)的电流密度下,350次循环后容量仍然是870 mAh g~(-1)。为了对比研究锡颗粒的尺寸影响和碳管的作用,制备了碳包覆锡纳米颗粒的蛋黄壳结构(Sn@C-YS),对比分析了三种材料制得电极的循环稳定性。随后测算了三个电极的扩散系数,证实了Sn和碳管网络具有优异的离子输运能力。Sn@C-YS复合材料中锡颗粒较大,与电解液接触后形成较多的SEI。因此,我们对Sn@C-YS进行结构优化,我们通过硫化方式在其表面形成一层薄的硫化锡(S-Sn@C)。电化学测试发现S-Sn@C电极的初始充放电容量较低,但输出容量较为平稳,S-Sn@C具有稳定的循环能力是因为表面的硫化物所形成的SEI减缓了活性物质不可逆的消耗量。在反复循环中活性物质粉化现象有所缓解。为了研究电池包热管理系统降温能力,联合某公司搭建了液冷式电池包热管理系统。通过测试分析出不同工况下的液冷式系统的热管理力度不同。为获得良好的降温效果,制定出优选的热管理方案。