材料化学课程论文设计040940337周仁威

wordword/word材料化学课程结业论文论文题目：锂离子电池正极材料姓名：周仁威学号：040940337专业：化学工程与工艺摘要商用锂离子电池开展至今已有20年，为了满足不同方面的社会需求，人们迫切需要新型锂离子电池电极材料。本文首先简要介绍了锂离子电池的相关知识，随后对多种新型锂离子电池正负极材料的制备、改良方法与电化学性能做了详细介绍，最后对各种电极材料的优缺点进展了简要的总结。本文还对锂离子电池在未来的应用进展了展望，以期待锂离子电池更好地为人类服务。关键词锂离子电池新型电极材料高性能一、引言从1991年日本SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池开展至今已有接近20年的历史，锂离子电池是以嵌锂化合物作为正、负极材料的电池。嵌锂化合物多为层状或框架结构，充放电过程中锂离子可在其层间可逆的嵌入与脱出而不改变其结构。与其他种类电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电低、无记忆效应、对环境友好等优点。锂离子电池已广泛应用于手机、相机、笔记本电脑等便携式数码产品。随着社会开展，锂离子电池的应用得到了进一步扩展。例如利用锂离子电池是目前储能密度最高的蓄电池这一条件，可以将锂离子电池与太阳能或风能结合起来，用锂离子电池将过剩的太阳能或风能转化成的电能储存起来，在供电不足的情况下以电能的形式释放出来满足人们的需求。电极材料概述简单的讲，锂离子电池的组成主要包括正极、负极、电解质与隔膜4个局部。正极材料通常是一种嵌入化合物，在外界电场作用下化合物中的锂可在晶体中可逆脱出和嵌入；负极材料一般是层状结构的碳材料；常见电解质为溶解有可溶锂盐的有机碳酸酯溶液。电池的充放电过程就是锂离子在正负电极材料之间可逆地嵌入与脱嵌的过程。在充电时正极材料中的锂离子脱离正极，进入电解液，通过隔膜向负极方向迁移，在负极上捕获电子被复原，并存贮在具有层状结构的石墨中；放电时，负极中的锂会失去电子而成为锂离子，进入电解液，穿过隔膜向正极方向迁移，并存贮在正极材料中。由于充放电过程中锂离子是在正负极之间来回迁移，所以锂离子电池早期也被称为“摇椅电池〞。理想的正极材料应具有以下品质：电位高、比容量高、密度大〔包括振实密度，压实密度〕、安全性好、低温性能好、倍率性能佳、长寿命和能量效率高〔排除转化反响机理过渡金属氧化物〔如CuO，CoO等〕等优良品质。正极材料中是目前应用最为广泛的锂离子电池正极材料。1991年SONY公司率先推出的第一种商品锂离子电池正极材料就是。由于其电压稳定性、可逆性、充放电效率等方面有优良的性能，再加上全球手机、数码产品、电动玩具等市场迅速开展，一直保持的开展势头。但由于原料Co本钱很高,比容量较(138mAh/g),且对环境有一定的污染,使得其必然会被新型的正极材料所取代。与是近年来最得到人们广泛关注的两种锂离子电池正极材料,主要特点是原料本钱低，安全性高，无污染，循环寿命长。而主要特点是比容量高，电位高。此外还有材料，其主要特点是电位高，能量密度高。负极材料中石墨是应用最广泛的电极材料，它的特点是电位低〔0—0.2VVsLi〕；主要优点是循环性能好，安全性高，但作为负极材料，较高的电位降低了它的能量密度；Si材料的特点在于比容量高(4200mAh/g),但较差的循环性影响了其使用。以上几种电极材料各有优缺点，为了提高其电化学性能，我们需要对其进展各种修饰改性，处理方法不同得到的电极材料电化学性能也有所不同，包括新型制备方法的研究，碳包覆，金属掺杂等多种手段都被用于电极材料的改性研究。此外还有多种正负极材料正在研究探索中，下面我们将主要对几种新型电极材料做具体介绍。锂离子电池正极材料〔1〕、1997年Goodenough等首次提出使用具有橄榄石结构的聚阴离子材料磷酸亚铁锂〔〕可以作为锂离子电池正极材料，到现在已成为电动汽车、电动工具的理想电极材料之一，得到世人的广泛关注。〔图1〕具有橄榄石型结构，正交晶系。中心亚铁离子与周围6个氧形成FeO6八面体。八面体和PO4四面体共同构成了Z字空间骨架，锂离子在骨架中占据着八面体位，通过共棱与FeO6八面体和PO4四面体相连。图1橄榄石型结构示意图图2单斜相LVP结构示意图充放电过程中，锂离子可以在b方向上可逆脱出插入。由于与FeO6空间群一样，结构稳定，脱锂过程中体积减少6.81%，密度增加2.59%。使得材料本身具有很好的热稳定性和循环性能。传统的缺点主要有两方面，一是电子电导率低；二是锂离子迁移速率低。这严重影响了容量的发挥，如果不进展改性处理，纯相的根本不能发挥容量。目前主要通过改良材料的制备方法与对材料进展外表包覆等手段来制备新型的以改善其电化学性能。的制备方法主要有：高温固相合成法，微波合成法，水热合成，液相反响共沉淀制备法，有机碳裂解复原制备法等。改性方法主要是对材料进展外表碳包覆或金属包覆。每种方法制备的从形貌到电化学性能上各有不同，但均比纯相的有了很大的进步。〔2〕、正极材料虽然具有很好的安全性能与倍率性能，但其并不很高的放电平台使电池的功率单斜结构的密度得到限制。与相比LVP的主要优势在于较高的电压平台与较高的比容量。单斜结构的LVP在充电过程中可以逐步失去全部的锂，理论容量达197mAh/g。单斜相LVP结构如图2所示，属于空间群，晶体结构中稍有扭曲的八面体和四面体通过共用氧原子，形成键的连接，形成三维网络结构，锂原子处于这个结构的空间隙中。传统的LVP的主要缺点在于电子导电率较低，目前主要尝试采用碳包覆和金属阳离子掺杂等方式来提高LVP的导电性能。采用碳热复原法制备新型,通过尝试不同的烧结温度，不同的碳源以与不同的碳源比例来获得最优性能的新型LVP/C产品。高温固相碳热复原法合成LVP/C正极材料的工艺流程如图3所示。图3碳热复原法合成LVP/C流程图同时也还采用溶胶凝胶法制备碳包覆的新型LVP/C复合正极材料，目的是使反响物在溶胶步骤达到分子级水平的混合，从而使原料混合均匀，获得粒径分布更加均匀，比外表积更大的产物。以草酸为络合剂，麦芽糖为碳源，具体工艺流程图如图4所示。高温固相反响需要较高的温度与较长的烧结时间，容易导致产物粒径过大和团聚现象发生，同时原料混合也很难达到较高均匀度，从而影响最终产品的电化学性能。而液相法虽然反响温度较低，但较长的热处理时间与额外的处理过程，例如搅拌和加热过程会降低产品的产率，不利于工业生产，针对这一问题，有人通过选取原料设计了一种较低温度下—4.3V，10C倍率下首次放电比容量为，300次循环后仍有。此外，还通过静电喷雾沉积〔ESD〕方法制备LVP/C薄膜。ESD方法通常使用含有所需金属离子的醇溶液为源溶液，通过静电场下的喷雾沉积热解过程在加热衬底上制备氧化物薄膜。他不仅可以准确的控制材料的化学组成，而且可以通过调整实验条件改变所得到的薄膜电极的形貌，进而得到不同的电化学性能。ESD制备的LVP/C薄膜中，LVP的粒径相比于文献中常见的微米级别要小很多。得到的LVP薄膜在电压X围—内首次放电容量高达。如果考虑薄膜中10%的含碳量。那么ESD制备的LVP/C薄膜放电容量根本接近理论容量。这是因为纳米尺寸的粒径和有效的碳包覆可以很好的提高LVP/C电极的电导率。图4溶胶凝胶法合成LVP/C流程图总的来讲LVP由于结构稳定,氧化复原电位高,理论比容量高,良好的热稳定性以与优秀的循环性能等诸多优点,也已经成为人们关注的焦点,并将成为未来锂离子电池正极材料的首选材料之一。三、总结与展望自锂离子电池应用以来，它极大地方便了人们的工作与生活。进一步扩大锂离子的电池的应用领域，满足人们更高的要求，成为我们继续探索新型锂离子电池电极材料以与对其进展改良的动力。就目前的锂离子电池电极材料研究水平来看，我们认为代表了迄今最安全的正极材料，但它的缺点在于储能密度较低；而具有优良的高倍率循环特性、容量稳定性以与低温性能；5V正极材料可以有效地提高电池的储能密度；离子掺杂能显著改善和正极材料的功率特性；匹配的3V全电池具有优异的循环稳定性。锂离子电池作为一种能源储藏设备，不但已广泛应用于移动、笔记本电脑、摄像机、照相机等小型电子设备，而且在电动汽车和混合动力汽车等大型交通工具上展现出广阔的前景和强劲的开展势头，今后必将为人们发挥更大的作用！四、参考文献[1]周永宁,傅正文.纳米薄膜锂离子电池电极材料.化学进展,2011,23(0203):336-348[2]X临超,陈春华.锂离子电池电极材料选择.化学进展,2011,23(0203):275-283[3]梁风,戴永年,姚耀春.模板法制备孔状锂离子电池电极材料.化学进展,2009,21(10):2060-2066[4]X忠知,杨勇,X汉三.锂离子电池电极材料固体核磁共振研究进展*.化学进展,2003,15(01):18[5]X昌炎,慈云祥,周恒辉.锂离子电池电极材料研究进展.化学进展,1998,10(01):85[6]芮先宏,李超,X珏,陈春华.化学与物理电源系统,2009,12:150[7]代克化,毛景,翟玉春.物理化学学报,2010,26(8):2130-2134[8]X文元,傅正文,秦启宗.化学物理学报,2005,18(6):1043-1047[9]周永宁,X华,吴长亮,吴晓京,傅正文.无机化学学报,2007,23:1353-1357[10]X华,周永宁,吴晓京,傅正文.物理化学学报,2008,24(7):1287-1291[11]X艳华,薛明喆,胡可,李达,汪小琳,苏伟,X效疆,孟凡明,傅正文.无机材料学报,2010,25:145-150[12]王颖,X文元,傅正文.物理化学学报,2006,22:65-70[13]薛明喆,程孙超,姚佳,傅正文.物理化学学报,2006,22(3):383-387[14]薛明喆,傅正文.化学学报,2007,65(23):2715-2719[15]吴济今,孙正,傅正文.无机化学学报,2008,24:1761-1766[16]周永宁,吴长亮,X华,吴晓京,傅正文.物理化学学报,2006,22(9):1111[17]孙柯,陆海纬,李达,曾韡,李越生,傅正文.无机材料学报2009,24(2):357-360[18]陆海纬,周永宁,曾韡,李越生,傅正文.无机化学学报,2006,22(10):1082-1086[19]许雪萍,施得旭,洪为民.工业材料.11996,110:48—56[20]姚庆意,陈金铭.工业材料.996,110:57—65[21]吴宇平,方世璧,江英彦.化学通报.1998,(4):15—19

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