文献综述报告锂离子电池锂镍钴铝NCA材料

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材料科学与化学工程学院

文献综述报告

学号:S313100110

专业:化学工程与技术

学生姓名:王红领

指导教师:陈猛教授

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锂离子电池正极材料镍钴铝酸锂研究进展

1. 材料研究背景

锂离子电池目前已经广泛应用于科技、军事、生活等各个领域。而正极材料在锂离子电池产品组成中占据着最重要的地位。正极材料的好坏,直接决定了电池的最终性能,而且正极材料在电池成本中所占比例高达40%左右。目前常用的锂离子正极材料有LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,LiMPO x等。

LiCoO2的研究已经比较成熟,层状钴酸锂属六方晶系的α-NaFeO2层状结构,理论容量为274mAh/g,具有工作电压高、充放电电压平稳、比能量高、循环性能好的特点,是最早用于商品化锂离子电池的正极材料。但是在实际使用时,只有部分锂能够可逆的脱嵌,如果过充将导致容量衰减和极化增大,使其循环性能大大降低。因此目前实际容量为155mAh/g,平均工作电压3.7V。同时由于其价格高、容量低、毒性大的特点,极大地限制了其适用范围。层状LiNiO2理论容量为275mAh/g,实际容量为180-200mAh/g,平均工作电压3.6V左右,具有自放电率低、污染小、与多种电解液有良好相容性等优点。但是制备困难,材料一致性和重现性差,而且热稳定性和安全性差。尖晶石LiMn2O4成本低,安全性好,但循环性能尤其是高温循环性能差,在电解液中有一定的溶解性,储存性能差。而且在高温(50℃左右)下材料相结构极不稳定,导致其容量衰减迅速。LiMPO x 型正极材料主要有LiFePO4,LiMnPO4,Li3V2(PO4)3和LiCoPO4等。其中研究最多的是LiFePO4。其具有充放电平台平稳、比容量较高、循环性能优异、成本较低、环境友好等突出优势,但是充放电平台低,导电性差。[1,2,3,4]

对于镍钴二元复合材料,兼有LiNiO2和LiCoO2的优点,既有较高的理论放电比容量,又有较稳定的层状结构,增强了材料的循环稳定性。但这种材料也存在耐过充能力差、热稳定性差、首次放电不可逆容量高等缺陷。而铝的掺杂可以进一步稳定镍钴材料的结构,明显抑制充放电过程中的放热反应,使材料循环性能和耐过充性能明显提高。[4]

2. 材料简介

2.1 制备方法

(1)高温固相法

高温固相法是一种制备锂离子电池正极材料的传统方法,一般是先将锂盐与过渡金属化合物按目标产物的比例称重,然后通过球磨等机械方式混合均匀,在高温下焙烧形成目标产物。朱先军等[5]将分析纯原料LiOH·H2O,Ni2O3,Co2O3和Al(OH)3按一定的计量比分别称量、混合、研磨,预烧后再研磨、压片,于氧气中725℃焙烧24 h即得产物LiNi0.85Co0.10Al0.05O2。江卫军等[6]用固相反应法合成了锂离子二次电池正极材料LiAl y Co0.2Ni0.8-y O2 (y=0,0.001,0.005,0.01,0.03)。结果表明所合成的产物均为α-NaFeO2型层状结构,大小均匀无杂质相。固相法虽然操作简单,易于工业化生产,但是,该法焙烧温度高时间长,浪费能源;混合均匀性差,粒度和形貌难以控制;材料电化学容量有限,性能不稳定,难以保证批次与批次间的一致性。此外,当合成二元或更多元体系混合物时,机械混合往往不能使多种反应物混合均勾,难以得到符合化学计量比的纯净物,容易引入NiO等杂质相,导致晶体结构存在缺陷,电化学性能不好。[1,2,3,4]

(2)共沉淀法

共沉淀法制备正极材料的重点主要在前驱体的合成上,可分为常规共沉淀法和改良型共沉淀法(或控制结晶法)。常规共沉淀法一般是将过渡金属元素元素的可溶性盐配制成混合溶液,再往其中滴入沉淀剂,得到无定形的Ni-Co-M (M=Al,Mn等)氢氧化物前驱体或碳酸盐前驱体。改良型共沉淀法则是加入氨水或碳酸氧铵等作络合剂,通过控制pH值合成球形Ni-Co-M前驱体。沉淀经反复沉降以及洗漆后,干燥得到前驱体颗粒,然后将处理后的前驱体与锂源按一定比例混合均匀,最后将混合物进行高温煅烧制得目标产物。常规共沉淀法制备的材料容易团聚,呈片状或多角形,物理性能不好,实用价值不大。而改良型共沉淀法制备的材料,颗粒大小可控,振实密度高,流动性好,电化学性能稳定,重现性好,但是离子利用率比较低。[1,2,3,4]

谢娇娜等[7]采用碳酸盐共沉淀法合成材料前驱体,然后与LiOH·H2O混合在700-800 ℃下进行煅烧后得到结构为α-NaFeO2层状结构的球形正极材料LiNi0.8Co0.2-x Al x O2 (x=0.05、0.10和0.15)。研究发现,铝掺杂促进了烧结,但掺杂过多会导致过度烧结和异形晶粒出现,降低材料性能。H. Cao等[8]采用常规共沉淀法制备了LiNi0.8Co0.2-x Al x O2 (0≤x≤0.2)正极材料。W. M. Liu[9]等对共沉淀方法进行了改进,采用氢氧化钠为沉淀剂,氨水为络合剂,过硫酸钠为氧化剂,得到蓝绿色前驱体Ni0.8Co0.15Al0.05(OH)2。周新东等[10]釆用二次沉淀法合成出正极材

料镍钴铝氧的前驱体,具体做法是:先将镍钴过渡金属溶液与沉淀剂、络合剂混合进行沉淀,合成二元氢氧化物,二元氧氧化物沉淀经过过滤、洗漆再重新加入到反应釜中,缓慢滴加铝盐溶液和沉淀剂,进行二次沉淀,合成目标产物的前驱体。最终合成成品材料的球型度高,振实密度高达3.02g/cm3,且循环性能较好。伍斌[4]采用共沉淀法合成出球形前驱体后,将前驱体750℃下预处理5h后,再与锂源混合煅烧出正极材料,制备出的材料性能良好。总的来说,共沉淀法属于原子水平的混合,具有合成温度低,产物组分分布均匀、重现性好等优点,目前已经有公司利用该方法对锂镍钴铝氧材料进行了工业化生产。

(3)溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法合成过程一般是将较低粘度的金属离子和具有络合作用的有机物进行混合,制成均匀的溶胶,溶胶经缓慢聚合形成凝胶。在凝胶过程中或凝胶后对其进行成型和干燥,最后将其进行锻烧合成出微米甚至是纳米级的成品。粉体材料经溶胶-凝胶法合成后,虽然具有元素分布均匀,颗粒较小(可以达到纳米级),粒度分布窄,流程简单且容易控制等优点。但是,该方法在合成过程中需要消耗过多的有机溶剂原料,成本高,对环境污染大,烧结性能也较差。同时当对样品进行干燥时,由于溶胶粘度大的原因,需要较长的干燥时间。基于上述原因,导致合成材料时较低的生产率,较高的成本,很难实现产品的工业化生产。[1,2,3,4]

C. J. Han等[11]以丙稀酸为络合剂,锂、镍、钴的醋酸盐和硝酸铝为原料,80℃真空蒸发4h后,在140℃干燥4h形成凝胶,再于500 °C预处理6h,置于氧气流中在800℃焙烧24h获得LiNi0.8Co0.2-x Al x O2(x=0,0.01,0.03,0.05)。实验表明,随着Al含量的增加,材料的首次放电比容量减小,循环性能提高。胡晨等[12]采用溶胶-凝胶法合成了LiNi x Co1-x M0.05O2 (M=Al、Mn和Ti),粉末颗粒细小,粒径约为0.3-0.5μm。在电流密度为1.0mA/cm2,3.0V-4.3V电压范围内进行充放电测试,结果表明,材料LiNi x Co1-x Mn0.05O2的初始容量较高,LiNi x Co1-x Al0.05O2的循环性能比较好。溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料,具有各组分比例容易控制、化学均匀性好、粒径分布窄、纯度高、反应易控制、合成温度低等优点,但是原料价格较高、处理周期长,工业化难度较大。

(4)喷雾热解法

喷雾热解法指先将金属氧化物或金属盐按目标产物所需化学计量比配制成前驱体浆料或溶液,然后将液体物料经过雾化、干燥、造粒、分解各过程,得到

颗粒状粉体,最后对颗粒进行焙烧得到目标产物。通过对合成液体物料过程的控制和喷雾分解工艺条件的改变,喷雾热分解法可以合成各种形貌的颗粒。[1,2,3,4]S.

H. Ju等[13]以镍、钴、铝的硝酸盐作原料采用喷雾热解法合成正极材料前驱体Ni0.8Co0.15Al0.05(OH)2,在此基础上合成出的球型成品材料具有高达200mAh/g的放电比容量,且具有良好的循环性能、高温性能和倍率性能。文章同时证明了成品与前驱体之间有较强的继承性。喷雾热解法可以在非常短的时间内实现热量和质量的快速转移,制备的材料化学计量比精确可控,且具有非聚集、球形形貌、粒径大小可控、分布均匀、颗粒之间化学成分分布均匀等优点,因而在锂离子电池正极材料制备领域具有独特的优势。

(5)其他方法

P. Kalyani等[14]采用溶液氧化法,将各离子硝酸盐按一定比例混合均匀后,利用尿素作为燃料,400℃条件下进行氧化反应,然后在氧气气氛下750℃焙烧得到成品LiNi0.7Al0.3-x Co x O2 (x=0.0,0.1,0.15,0.2,0.3)。汤宏伟等[15]将低共熔混合锂盐0.38LiOH-0.62LiNO3与自制前驱体Ni0.8Co0.2-x Al x(OH)2 (0≤x≤0.15)按一定比例混合,经 3 个阶段烧结(200 ℃恒温 3 h、600 ℃恒温 5 h、850 ℃恒温15 h),得到材料LiNi0.8Co0.2-x Al x O2(0≤x≤0.15)。

不同制备方法对材料的结构和电化学性能有着不同的影响,方法不同,制出的材料有明显的差别,但是不同的制备方法有各自的优势,比如反应温度低、原料混合均匀、材料制备的重现性和一致性较好、化学反应进度容易控制等,都能合成出层状结构良好的正极材料,但是它们也有相应的弊端,因此,现有的制备方法需要继续研究改进。

2.2 材料性能问题

高Ni系正极材料一直没有得到广泛应用,其原因在于其很难合成具有化学计量比的材料,充放电过程中存在相变以及Ni2+占据Li+的3a位置导致阳离子混排,从而造成材料的电化学性能急剧下降,这些缺点一直制约着它的商业应用[16-17]。研究表明,通过阳离子掺杂可以改善上述情况,Al的掺杂可以起到以下作用:(1)适量掺杂的Al以固溶体的形式存在,可以改变Ni系层状材料的晶胞参数,增大c/a,该值显示了材料层状属性,也有研究认为该值反映了阳离子混排的程度;(2)适量Al的掺杂可稳定层状结构,从而提高材料的充放电性能;(3)适量Al的掺杂有利于形成稳定的α-NaFeO2型层状结构,降低锂镍氧的合成难度,

可以在空气中合成具有良好的α-NaFeO2型层状结构的材料;(4)适量Al掺杂能有效提高电荷在电极界面间转移,并且能抑制高压循环过程中电荷转移阻抗的增加。[16,18]制约Ni系层状材料广泛应用的因素还包括其在合成过程中条件较为苛刻,需要氧气气氛才能合成出结构优良的高Ni系层状材料。LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(即NCA)材料在日本、韩国已投入应用,该材料放电比容量大,具有良好的容量性能与倍率性能,但是也存在吸湿性高、循环不够稳定等缺点。具体来说,在使用过程中主要有以下问题:

(1)阳离子无序分布:合成过程中,由于Ni2+较难氧化为Ni3+,会剩余未被氧化的Ni2+,进而形成高对称的无序密堆岩盐结构。Ni2+存在时,会取代Ni3+的3b位置,使得阳离子电荷降低,为保持电荷平衡,部分Ni2+要占据Li+的3a位置,造成阳离子无序分布或称为阳离子混排。未被氧化的Ni2+占据Li+的位置,同时位置被占据的Li+占据Ni3+的位置,从而导致Li+的脱嵌受阻。由于Ni2+半径小于Li+半径,且在脱锂过程中被氧化为半径更小的Ni3+,导致层间局部结构塌陷,使得Li+很难再嵌入塌陷的位置,造成材料的容量损失。[16,19]

(2)充放电过程中相变:理想的层状化合物要求嵌入脱出前后其结构变化不大而且可逆。对于NCA层状材料来说,充放电过程主要经历以下几个相变过程:六方相H1→单斜相M→六方相H2→六方相H3。在单相区,O-Ni-O层间距缓慢连续增加,电极的可逆性比较好,但在相变过程中,进一步的氧化使得O-Ni-O 层间距突然减小,导致结构变化较大,局部会有塌陷,造成容量损失[16]。

(3)热稳定性:正极材料在充电态下的热稳定性是影响电池安全性的重要因素。NCA材料稳定性差的原因在于充电深度达到一定程度时,Ni3+被氧化为Ni4+,而Ni4+氧化性特别强,不仅可以氧化分解电解质,放出热量和气体,而且自身不稳定,在一定温度下容易放热分解,并析出氧气,导致材料的热安全性差[16]。

(5)贮存性能:由于NCA材料其本身pH 值较高,在存放过程中易与空气中的水分和CO2反应,从而导致材料性能的恶化。即使在室温下,仍会有Li+脱嵌在材料基体表面形成Li2CO3。[16]Matsumoto等[20]的研究表明,NCA材料在温度为25℃、相对湿度为55%的空气中放置时,转化为Li2CO3的量与其在空气中放置时间的平方根成正比。贮存问题的存在,使其在使用过程中对空气湿度等条件的要求较高,成为镍系材料实用化的障碍。

3. 材料改性研究

3.1 非电化学活性物质表相改性

用非电化学活性物质进行包覆,能够在材料表面形成一个膜层,通过改善电极/电解液界面来提高材料的稳定性和安全性能。用于包覆的物质大多是一些化学性质比较稳定的材料,这些物质不与电解液发生反应,它们在电极材料表面形成的包覆层一般控制在几十个纳米范围内,使之对锂离子的迁移不产生太大的影响。包覆的作用主要有以下几点:(1)改善材料的循环性能,特别是充电截止电位较高时的循环性能。(2)包覆能有效提高材料的热稳定性。(3)改善电池的大电流充放电性能。例如,H. B. Kim等[21]和B. C. Park等[22]都采用共沉淀法制备了AlF3包覆的NCA正极材料,研究发现,改性材料的电化学性能和热稳定性都得到了提高。Y. Chung等采用化学吸附的方法在NCA材料表面包覆了一层厚度为2-3nm的无定形碳,碳包覆层有效地抑制了基体材料与电解液中HF的反应,提高了基体材料的热稳定性,并改善了其在大电流下的电化学性能。Younghyun Cho 等[23]利用TiO2对NCA材料进行包覆,使接触表面发生反应,形成一种固溶物,抑制NiO相的生成,提高材料性能。Yonghyun Cho等[24]还利用SiO2对NCA材料进行了包覆。实际上,采用这种电化学惰性物质对材料进行包覆改性,虽然提高了基体材料的循环性能和安全性能,但是,牺牲了基体材料的放电比容量或能量密度。

3.2 电化学活性物质改性

电化学活性物质表相改性是指用一种锂离子电池正极材料或嵌锂化合物对另一种正极材料或嵌锂化合物进行改性,以形成包覆型、核-壳型或梯度型正极材料。例如,王力臻等[25]和C.H. Lin等[26]将钴酸锂和镍钴铝酸锂混合制成正极材料,Li4Ti5O12包覆NCA材料[27],聚苯胺包覆NCA材料[28]等。

3.3 掺杂

对过渡金属氧化物正极材料进行掺杂的研究范围也很广,掺杂可以稳定层状材料结构,改善材料的电化学性能、热稳定性以及安全性。Y. K. Lin等[29]采用溶胶-凝胶法成功合成出正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3-y Al y O2,经XANES分析得出A1的掺入没有改变Co的化合价,且A1的掺入使Li的嵌入效率增加。同时还发现材料的晶体结构参数随着A1的掺入量的增加而减小。

4. 总结

目前,NCA材料在日本、韩国已有广泛应用,虽然该材料在可逆比容量、安全性、成本等重要方面达到了实际应用的要求,然而,其还主要存在以下几个问题(1)首次循环充放电效率低及循环性能有待提高,由于高镍基材料的本质,镍钴铝酸锂正极材料的首次充放电效率仍然很低,其首次容量损失严重。另外,在充电过程中,材料由于锂的迁移会发生一系列的相变,锂层中混入的镜离子可能引起材料结构的坊塌,导致材料的层状结构发生变化,影响了材料的循环稳定性能。(2)热稳定性差与安全存在隐患,与镍酸锂相比,镍钴铝酸锂材料的安全性能有所改善。但是,由于充电末期具有强氧化性的Ni4+,不仅与电解质发生副反应,使电解质失效,而且可能导致正极材料在较低的温度下分解析出副产物O2,产生大量热,甚至可能发生爆炸,给带来安全性隐患。(3)储存和涂覆性能差,由于镍系正极材料本身存在碱度大和表面粗糙的问题,导致其比钴酸锂更易吸潮,所以在生产储存和运输的过程中对水份和二氧化碳的控制更为严格。另外,碱度较大的镍系正极材料容易造成粘结剂(PVDF)发生溶胀或部分溶解而失去粘结作用,使电池的制作不能正常进行。[1,4]因此,为了尽可能提高镍钴铝酸锂正极材料在上述方面的性能,尤其是改善其在循环性能方面的问题,需要研究者们进行更加深入的探索,选择并优化合成方法,从而减小甚至消除不利因素的存在。

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锂离子电池开题报告

一、国内外研究动态、选题依据和意义 锂离子电池是20世纪70年代以后发展起来的一种新型储能电池。由于其具有高能量、寿命长、低能耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、性价比高、污染少等优点,锂离子电池在逐步应用中显示出巨大的优势,广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、电动汽车、储能、航天等领域。[1]锂离子电池主要由正极、负极、和电解质溶液等组成。电极材料是决定锂离子电池的整体性能水平的关键。电解质溶液的性质、组成和浓度也是决定锂离子电池充放电性能的重要因素,对于锂离子电池的制备工艺也起重要的作用。锂离子电池正极、负极和电解质材料的研究是整个锂离子电池研究领域的重点,备受世界的重视。[3] 在第215届电化学会议中,新型电极材料仍是锂离子电池的研究热点之一,与传统正极材料LiMn204、LiCoO2、LiMnPO4相比,LiFePO4正极材料所特有的安全性能引起了人们的重视。其中粘结剂作为非导电的活性材料在锂离子电池中的重要性开始逐渐被认识和接受。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究了电极循环性能与电极片机械能的关系,发现电极的机械能与长期循环性能的关系密切,电极的损坏,特别是碳负极的损坏主要源于极片力学性能的下降,指出电极材料并不是决定电极性能的唯一因素,粘结剂的性能和极片的制备方法、工艺也是必须考虑的。[4] 近年来,许多研究者不再局限于对某一材料的制备与优化,开始着眼于整个系统的匹配,优化电极片和制备方法,瞄准动力汽车的需求设计高能量电池和高功率电池,分析电池衰退的原因,开发满足动力电池需要的3000至5000次循环寿命的长寿命锂离子电池。[7] 涉及锂离子电池的研究内容和手段不断的丰富,对于锂离子电池制备工艺的提高也有很大的促进与提高。锂离子电池的制备工艺涉及多个方面的研究与创新,本课题的学习与研究是对我们大学学习的一个重要的总结与检验。[10] 二、研究的基本内容,拟解决的主要问题 1.研究内容 本研究主要是通过对电池正极片、负极片的制备工艺(包括原料的选择和原料配比等)以及电池组装工艺的优化来制备容量和循环性能较好的扣式电池。 2.解决的问题 (1)研磨充分、搅拌均匀、浆液粘度适中以保证制得的正极片无粉末脱落。(2)涂布均匀、涂层厚度适中以获得较好的循环性能。 (3)使组装好的电池的工装紧密度适中以保证测试结构具有较好的准确性和可靠性。[1]

锂电池是否是危险品

锂电池是否是危险品

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锂电池是危险品吗? 来源:吴江电池产品检测实验室| 时间:2011-9-8 20:49:00 | 【字号:大中小】 根据《联合国关于危险货物运输建议书规章范本》的规定,锂电池是列明危 险品被列为第9类危险品,其联合国编号情况如下:锂离子电池(包括锂离 子聚合物电池)(UN3480)、与设备一起包装的锂离子电池(包括锂离子聚 合物电池)(UN3481)、包含在设备中的锂离子电池(包括锂离子聚合物电 池)(UN3481);锂原电池(UN3090)、与设备一起包装的锂原电池(UN3091) 以及包含在设备中的锂原电池(UN3091)。 联合国编 号 名称和说明类别或项别特殊规定包装规范 3090 锂金属电池组(包括锂合金电池 组)9 SP188 /SP230 /SP310 P903 3091 装在设备中的锂金属电池组或同 设备包装在一起的锂金属电池组 (包括锂合金电池组) 9 SP188 /SP230 /SP360 P903 3480锂离子电池组(包括聚合物锂离子电池)9 SP188 /SP230 /SP310 /SP348 P903

3481装在设备中的锂离子电池组或同 设备包装在一起的锂离子电池组 (包括聚合锂离子电池组) 9 SP188 /SP230 /SP348 /SP360 P903 但在一定条件下,锂电池可以作为不受限制的货物进行运输。 一. IMDG CODE(国际海运) PSN: BATTERY containing lithium. Class: 9 Un no.: 3090. Definition: 含有锂或锂合金的锂电池装在刚性金属体内,锂电池也可能装在设备中或设备中含 有锂电池. SP188: 满足以下, 可以按普货运输. 1. 对于液体阴极电池,含锂量不大于0.5g, 对于电池组, 总含锂量不超过1g;, 对于锂离子电池,不大于1.5g. 对于固体阴极电池,含锂量不超过1g, 对于电池组, 不超过2g.对于锂离子电池组, 不大于8克. 2. 液体的气密封口. 3. 电池隔开. 4. 电池组隔开.或装在设备中. 如超过以上1的规定,则: 1. 完全充电后,每个电池的阳极含锂量不超过5g.电池组不超过25g. 2. 通过联合国关于危险品运输的建议书中的38.3测试. 正确包装以防止短路. SP230: 满足以下,可以做为UN3090运. 1. 按38.3规定, 可以划为9类. 2. 不会突然爆裂. 3. 应防止短路设施. 4. 装有反向电流的有效设备. SP287.废话. 总之: 锂离子电池通过了38.3的测试,注意是通过,不是做过.而且, 锂的含量不要超过8G, 加上正确的包装防止短路等, 就可以按照非危险品运输.

各种锂离子电池正极材料分析

锂离子电池现使用的正极材料有如下几种: 1、钴酸锂 钴酸锂也是目前应用最为广泛的正极材料,钴产生3.9V(vs. Li)的电势平 台,对钴酸锂而言,对应于其理论容量,高达274mAh/g,实际容量可达155mAh/g,具有很高的能量密度。主要应用于便携电池领域:如手机,PDA;移动DVD; MP3/MP4、笔记本电脑。 1)结构缺陷 对钴酸锂(LixCoO2,00.55 时,材料的容量发生严重的退化,其层状结构倾向于塌陷,使得实际可利用的容量不超过155mAh/g,为了能够更多的利用LiCoO2 中的锂离子,人们采用掺杂、包覆等办法对其改性。目前,有多种元素应用于LiCoO2 掺杂,但只有Mn 和Al 表现出较好的效果。 在Li 过分脱出时(E>4.2V 时),LiCoO2 发生严重的过充现象,化学键发生断 裂而释出O2,导致体系的不稳定,甚至有使电池爆炸的危险。 2)资源缺乏 钴在我国属于稀缺资源,我国钴矿矿床规模较小,矿区储量大于2 万吨的只 有甘肃金川和青海德尔尼两处,矿区储量大于1 万吨的有河北、四川、海南、新 疆4 省。截至2006 年底,我国探明钴储量47.1 万吨。由于连年开采,我国钴储 量逐年减少。我国钴产量应该在4900 吨左右。2002 年我国钴消费量为4845 吨,比2001 年增加了22%。从2002 年起,电池行业已超过硬质合金行业,成为我国 钴消费的第一大行业。由于目前我国未发现大规模有开采价值的钴矿,我国锂电池正极材料用钴酸锂的生产基本上是从国外进口价格昂贵钴原料。 2、镍酸锂 Ni4+/Ni3+电对能产生3.75V 的电势平台。它能可逆的嵌脱0.7Li,具有接 近200mAh/g 的循环容量,但在实际中,很难得到这个结果。首先在高温下,由于Li 的挥发,很难合成化学计量比LiNiO2,高温时六方相的LiNiO2 很容易向立方相的LiNiO2 转变,这种锂镍置换的立方相的没有电化学活性,而且这个反应的逆过程很慢并且不完全。此外在充放电过程中,LiNiO2 还会发生一系列的结构变化,而导致嵌锂容量的损失。实际上镍酸锂无太大实用价值。 3、镍钴二元材料和多元复合材料 LiCoO2 价格昂贵,LiNiO2 合成困难,如果能够结合二者的优点,用价格相 对低廉的Ni 替代部分Co,合成具有LiCoO2 一样优良电化学性能地电极材料,那么将具有广阔的应用前景。由于半径相近,Ni 和Co 几乎可以以任何比例形成 固溶体。近几年来,多元混合掺杂的层状氧化物得到了大量的研究,不同金属原子比例的镍钴锰多元材料得到了研究,但是颗粒形貌和粒度分布不得到有效的控制,只有在足够高的电势下(大于4.5V)才能获得180mAh/g 的容量,此外没有从根本上改变钴系材料的特点。 4、尖晶石锰酸锂 尖晶石锰酸锂能够产生4.0 V 的电压平台,与钴酸锂相当,理论容量 148mAh/g,实际容量120mAh/g 左右,比现在所用的钴酸锂稍低。早在上世纪80

2019年锂电池实验报告-实用word文档 (8页)

本文部分内容来自网络整理,本司不为其真实性负责,如有异议或侵权请及时联系,本司将立即删除! == 本文为word格式,下载后可方便编辑和修改! == 锂电池实验报告 篇一:锂离子电池的制备合成及性能测定实验报告 实验二锂离子电池的制备合成及性能测定 一.实验目的 1.熟悉锂离子电极材料的制备方法,掌握锂离子电极材料工艺路线; 2.掌握锂离子电池组装的基本方法; 3.掌握锂离子电极材料相关性能的测定方法及原理; 4.熟悉相关性能测试结果的分析。二.实验原理 锂离子电池的结构与工作原理:所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入 与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正 负极之间的转移来完成电池充放电工作的,独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。以LiCoO2为例:⑴电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂 状态,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。⑵为负极的材料则选择电位 尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。三.实验装置及材料 1.实验装置: 恒温槽,冰箱,搅拌器,管式电阻炉,真空干燥箱,鼓风干燥箱,铁夹,分液 漏斗,研钵,烧杯,pH试纸,循环水真空泵,漏斗,抽滤瓶,滤纸,玻璃皿, 温度计; 2.实验材料: 乙醇,醋酸镍,醋酸钴,醋酸锰,碳酸钠,去离子水,氨水,乙炔黑,PVDF,NMP,LiOH; 四.实验内容及步骤

四种主要的锂电池正极材料

四种主要的锂电池正极材料 LiCoO2 锂离子从LiCoO2中可逆脱嵌量最多为0.5单元.Li1-xCoO2在x=0.5附近发生可逆相变,从三方对称性转变为单斜对称性。该转变是由于锂离子在离散的晶体位置发生有序化而产生的,并伴随晶体常数的细微变化。但是,也有人在x=0.5附近没有观察到这种可逆相变。当x>0.5时,Li1-x CoO2在有机溶剂中不稳定,会发生释氧反应;同时CoO2不稳定,容量发生衰减,并伴随钴的损失。该损失是由于钴从其所在的平面迁移到锂所在的平面,导致结构不稳定,使钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电解质中。因此x的范围为0≤x≤0.5,理论容量为156mA·h/g。在此范围内电压表现为4V左右的平台。当LiCoO2进行过充电时,会生成新的结构 当校子处于纳米范围时,经过多次循环将产生阳离子无序,部分O3相转变为立方尖晶石相结构,导致容量衰减。粒子小时,由于锂离子的扩散路径短,形成的SEI膜较粒子大的稳定,因此循环性能好。例如,70nm的粒子好于300nm 的粒子。粒子大小对自放电也具有明显影响。例如粒子小,自放电速率快。粒径分布窄,粒子的球形性越好,电化学性能越佳。最佳粒子大小取决于电池的要求。 尽管LiCoO 与其它正极材料相比,循环性能比较优越,但是仍会发生衰减, 2 对于长寿命需求的空间探索而言,还有待于进一步提高循环性能。同时。研究过经过长时期的循环后,从层状结构转变为立方尖晶石结构,特别程发现,LiCoO 2 是位于表面的粒子;另外,降低氧化钴锂的成本,提高在较高温度(<65℃)下的循环性能和增加可逆容量也是目前研究的方向之一。采用的方法主要有掺杂和包覆。 作为锂离子电池正极材料的锂钴氧化物能够大电流放电,并且放电电压高,放电平稳,循环寿命长。.因此成为最早用于商品化的锉离子蓄电池的正极材料,亦是目前广泛应用于小型便携式电子设备(移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等)的正极材料。LiCoO2具有a-NaFeO2型二维层状结构,适宜于锂离子在层间的嵌人和脱出,理论容量为274 mA·h/g。在实际应用中,该材料电化学性能优异,热稳定性好,且初次循环不可逆容量小。实际可逆容量约为120~150 mA·h/g,即可逆嵌人/脱出晶格的锂离子摩尔百分数接近55 %。 在过充电条件下,由于锂含量的减少和金属离子氧化水平的升高,降低了材料的稳定性。另外由于Co原料的稀有,使得LiCoO2的成本较高。 LiCoO2生产工艺相对较为简单,其传统的合成方法主要有高温固相合成法和低温固相合成法。 高沮固相合成法通常以Li2CO3和CoCO3为原料,按Li/Co的摩尔比为1:1配制,在700~900℃下,空气氛围中灼烧而成。也有采用复合成型反应生成LiCoO2前驱物,然后在350~450℃下进行预热处理,再在空气中于700~850℃下加热合成,所得产品的放电容量可达150 mA·h/g。唐致远等以计量比的钴化合物、锂化合物为合成原料在有机溶剂乙醇或丙酮的作用下研磨混合均匀,先在450℃的温度下处理6h.,待冷却后取出研磨,然后再在6~10 MPa压力下压成块状,最后在900℃的温度下合成12~36 h而制得。日本的川内晶介等用Co3O4和Li2 CO3做原料,按化学计量配合在650℃灼烧10h制的温定的活性物质。章福平等按计量将分析纯LiNO3和Co(NO3)2·6H2O混匀,加适量酒石酸,用氨水调

锂离子电池及其电极材料的发展现状

锂离子电池及其电极材料的发展现状 锂离子电池由于其高比能量和高电压的优点,受到了人们的极大关注,已成为国际电池界商品化开发的热点和重点可充电锂电池技术发展的推动力主要来自三个方面:消费电子产品电动车和可移植医疗器具(如人工心脏) 锂离子电池的发展可以追溯到上世纪70年代。 第一个商品化的可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功,1987年投产。 不幸的是1989年8月,日本电信电话公司(NTT)的汽车移动电话在使用该电池时发生了起火事件,原因是锂枝晶的形成导致正负极间的隔膜穿孔引起电池短路,后来该电池被迫停产。 70年代末,法国的Armand 先后提出了两种解决途径: 1.采用聚合物固体电解质,它不与锂发生反应,可制备全固态锂金属二次电池; 2.采用很低电压就能使锂离子嵌入脱出的材料来代替金属锂,从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的锂离子二次电池 根据第二条解决途径,1991年,日本Sony公司推出了第一代商业化锂离子电池,成为锂离子电池发展史上的一个里程碑。和以往不同的是,这一代的锂离子电池分别用两种不同的插层化合物作电极,在正极上采用的是LiCoO2,而负极则用石墨替代了原先的Li金属。负极材料的改变解决了长期困扰锂电池的Li枝晶问题,从而大大提高了

电池的安全性。 锂离子电池商业化的成功,引起了全世界的广泛关注,多年来,各国政府都投入了大量的人力物力进行研究和开发,有力地促进了锂离子电池的商业化发展。十几年来,锂离子电池不仅在产量和产值取得了巨大的飞跃,而且其应用领域也大大拓宽了。 目前,锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化,轻量化,对锂离子电池的需求也越来越迫切。 除了适应电器市场向微型化发展以外,锂离子电池也在向大型电动设备方向发展,被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一,并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景。 锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池, 实际上是一个锂离子浓差电池,正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。 通常正极采用锂化合物,负极采用锂-碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出,被形象地称之为“摇椅式电池”。 充电时,Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,正极处于贫锂态,同时电子的补偿从外电路供给到碳负极,保证负极的电荷平衡。放电时,Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态。 在正常充放电过程中,Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧

详细分析锂离子电池的电极材料选择

详细分析锂离子电池的电极材料选择 锂离子电池在使用的过程中,能够进行二次充电,属于一种二次可充电电池,主要工作原理为锂离子在正负极之间的反复移动,无论电池的形状如何,其主要组成部分都为电解液、正极片、负极片以及隔膜。目前,国际上锂离子电池的生产地主要集中在中国、日本和韩国,主要的锂离子应用市场为手机和电脑。随着锂离子电池的不断发展,应用领域也在逐渐的扩大,其在正极材料的使用方面已经由单一化向多元化的方向转变,其中包括:橄榄石型磷酸亚铁锂、层状钴酸锂、尖晶石型锰酸锂等等,实现多种材料的并存。从技术发展方面能够看出,在日后的发展中还会产生更多新型的正极材料。对于动力电池的正极材料来说,其在成本费用、安全性能、循环能力以及能量密度等多个方面都具有较为严格的要求。在应用材料领域中,由于钴酸锂的费用较高、安全性较低,因此在具体的使用中通常适用于普通消费类电池,难以符合动力电池的相关要求。而上述列举的其他材料均已在目前的动力电池中得到了充分的利用。在锂离子电池材料中,负极材料属于重要的组成部分,能够对整体电池的性能产生较大影响。目前,负极材料主要被划分为两个类别,一种为商业化应用的碳材料,例如天然石墨、软碳等,另一类为正处于研发状态,但是市场前景一片大好的非碳负极材料,例如硅基材料、合金材料、锡金材料等等。 1碳负极材料:此种类型的材料无论是能量密度、循环能力,还是成本投入等方面,其都处于表现均衡的负极材料,同时也是促进锂离子电池诞生的主要材料,碳材料可以被划分为两大类别,即石墨化碳材料以及硬碳。其中,前者主要包括人造石墨以及天然石墨。人造石墨的形成过程为:在2500℃以上的温度中,将软碳材料进行石墨化处理之后得到,MCMB属于人造石墨中比较常用的一种,其结构为球形,表面质地较为光滑,直径大约为5-40μm。由于受其表面光滑程度影响,使电极表面以及电解液之间发生反应的几率降低,进而降低了不可逆容量。同时,球形结构能够方便锂离子在任何方向进行嵌入和脱出活动,对保障结构稳定具有较大的促进作用。天然石墨也具有诸多优势,其结晶度较高、可嵌入的位置较多,并且价格较低,是较为理想的锂离子电池材料。但其也存在一定的弊

文献综述

文献综述 北京化工大学材料1001 王培2010012389 引言 收集文献资料是写好论文的前提,只有在写论文之前进行大量的资料收集,然后对资料进行综合整理、归类,才能对论文课题的研究现状有个大概的了解,使我们站在理论前沿,分析问题的原因、特点、现状及基本内容,从而为我们发现问题、解决问题打下基础。 本综述的题目是碳纳米管制备技术研究进展 摘要:碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能,碳纳米管不管在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构,碳纳米管的研究进展随之加快,并在制备及应用方面取得了突破性进展。本文着重从碳管的制备方法与应用前景两方面,阐述了碳纳米管的研究进展与发展潜力 关键词:碳纳米管;石墨碳;制备技术;进展; 前言 随着微电子技术的进一步发展,微细化成为器件的重要发展方向,纳米器件的研究成为近几年的热点。并出现了许多不同的纳米器件制备工艺,如,:操纵原子、模板法制备纳米材料、纳米材料选择性生长等,但还未出现材料选择性好、成本低、可批量生产的技术。目前,以纳米材料为模块,采用自下而上的构筑加工工艺(Bottom-up)制作纳米器件已成为一个亮点。碳纳米管由于具有独特的结构、电学性质,已成为制备纳米器件的首要候选材料。在催化、复合材料、储能材料和微电子器件等诸多领域表现出了很大的潜在应用前景。目前制备碳纳米管的方法有石墨电弧法、激光法、催化裂解法(CVD)等,其中前两种方法存在产量少,不易实现工业化生产的特;而CVD法以其设备简单,成本低,反应过程容易控制,产量高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。 主题 1 碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法和有化学气相沉积法。单壁碳纳米管产量只有克量级,制备技术难度大。多壁碳纳米管的制技术则较为成熟,产量可达每小时公斤级,并可对产物直径和定向性等进控制

锂硫电池综述

高性能锂硫电池的研究进展 摘要:目前传统的锂离子电池在电子产品中发挥着重要作用。然而受到其较低的理论比容量的限制(约150~200Wh/kg),锂离子电池将难以满足人类发展的长远需求,例如电动汽车行业的发展。锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg,是锂离子二次电池的3~5倍,是极具应用前景的电化学储能体系,近年来引起了研究人员的广泛关注。人们提高电极导电性、维持电极结构稳定性、提高硫的负载率和利用率以及加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。本文将就近几年锂硫电池的发展进行相关介绍和讨论。 关键词:锂硫电池正极材料纳米结构材料改性电解质电池结构 Research progress in High-Performance Lithium-Sulphur Batteries Ren Guodong (School of Metallurgy and Environment, Central South University,0507110402) Abstract:Lithium-ion batteries has played an important role in the electronics at present.But due to its low theoretical energy density ,which is only 150~200Wh/kg,therefore the lithium-ion batteries cannot meet the long-term needs of society in the future,just in the case of the development of electric vehicles.Lithium-sulphur battery is a promising electrochemical energy storage system which has high theoretical energy density of 2600Wh/kg,that is 3~5 times to lithium-ion battery.And it has arised more and more attentions recently.Great efforts have been made by reseachers to improve the conductivity of the electrode , the stability of electrode structure,the loading capicity of sulphur ,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery.In this paper,the recent research of lithium-sulphur battery will be analyzed and discussed. Keywords:lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration 1.前言 电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。传统

纳米材料文献综述

北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY 碳纳米管的性质与应用 姓名:赵开 专业:应用化学 班级: 0804 学号: 080105097 2011年05月

文献综述 前言 本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料,其径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学,电磁学特点。近年来,碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。 本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果,借鉴他们的成功经验,就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。

碳纳米管(CNT)是碳的同素异形体之一,是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管,其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管(SWNT),多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管(MWNT)。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来,其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。 一、碳纳米管的性质 碳纳米管的分类 研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。(1)按照石墨层数分类,碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。(2)按照手性分类,碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。(3)按照导电性能分类,碳纳米管可分为导体管和半导体管。 碳纳米管的力学性能 碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍,而质量只有钢的1/ 6,并且延伸率可达到20 %,其长度和直径之比可达100~1000,远远超出一般材料的长径比,因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质,强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内,在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时,当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度,它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体,但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。 碳纳米管的电磁性能

锂电池几种正极材料的优缺点

锂电池几种正极材料的优缺点 锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料,目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中,正极材料的成本大约占整个电池成本的40%左右,正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料,而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。 衡量锂离子电池正极材料的好坏,大致可以从以下几个方面进行评估:(1)正极材料应有较高的氧化还原电位,从而使电池有较高的输出电压;(2)锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌,以使电池有高的容量;(3)在锂离子嵌入/脱嵌过程中,正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化,以保证电池良好的循环性能;(4)正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小,使电池的电压不会发生显著变化,以保证电池平稳地充电和放电;(5)正极材料应有较高的电导率,能使电池大电流地充电和放电;(6)正极不与电解质等发生化学反应;(7)锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数,便于电池快速充电和放电;(8)价格便宜,对环境无污染。 锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,LiFePO4和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。 1、LiCoO2 在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO2作为正极材料。其理论容量为274mAh/g,实际容量为140mAh/g左右,也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为:工作电压较高(平均工作电压为3.7V)、充放电电压平稳,适合大电流充放电,比能量高、循环性能好,电导率高,生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为:价格昂贵,抗过充电性较差,循环性能有待进一步提高。 2、LiNiO2

锂离子电池论文:Si-SiO_x-Sn-C复合负极材料的合成及电化学性能研究

锂离子电池论文:Si-SiO_x-Sn/C复合负极材料的合成及电化学性能研究 【中文摘要】目前锂离子电池的应用越来越广泛。与其他类型的二次电池相比锂离子电池具有较多优点,比如,工作电压和能量密度高,循环寿命长,自放电率小,无记忆效应且电极材料不含有毒物质, 是现代的“绿色电池”。广泛的应用于移动电话,笔记本电脑,电动车和混合电动车中。锂电池负极材料主要采用已经商业化的碳类材料,但由于它的理论比容量较低,且由于碳材料的嵌锂电位与金属锂接近,在快速充电时存在安全隐患,所以开发高比容量和性能安全的负极材料成为必要。由于硅和锡的理论比容量高(分别为4200 mAh g-1,994 mAh g-1),成为研究热点。但由于它们在充放电过程中存在严重的体积膨胀收缩,导致容量衰减较快,循环性能较差,极大的影响了材料的实用价值。利用硅锡的复合物或其合金,可以有效地改善它们的循环性能。本论文研究了一氧化硅和二氧化锡均匀混合后在碳的作用下于高温管式炉中发生反应,合成新的具有充放电效应的电极材料。考察了温度的影响,电化学性能及交流阻抗。通过实验研究得到以下结论:1.将SiO、纳米Sn02和碳混合后湿磨,于氮气保护下在管式炉中加热到750℃,800℃,850℃,900℃,950℃和1000℃。经XRD分析得知,新合成的材料中温度在800℃及以上时,Sn02经碳 【英文摘要】Lithium-ion cells are considered presently the best choice for rechargeable batteries. Lithium-ion cells have

many advantageous compared with other secondary batteries. Lithium-ion battery has high voltage, high energy density, long cycle life, self-discharge rate is small, no memory effect and also the electrode material does not contain toxic substances, is the modern “green battery.” It is widely used in mobile phones, notebook computers, electric vehicles and hybrid electric vehicles. Since the first commercialization of Li-ion batteries by Sony in 1991, graphite carbon has been the favorable anode material for its good reversibility and stability with thousands of cycles. However since the theoretical capacity (372 mAh g-1) of graphite is limited, new anode materials with high specific capacity are searched to satisfy the requirement of advanced power sources in such applications as electric vehicles with extended range.The search for next-generation anode materials of Li-ion batteries has focused on Si- and Sn-based oxide materials that offer a considerably larger specific (4200 mAh g-1 and 994 mAh g-1) and volumetric capacity than conventional carbonaceous materials. Such studies indicate that silicone monoxide, SiO, has a large discharge specific capacity. However, due to their serious volume change when charging and discharging, leading to fast capacity fading and poor cycle performance, it is a great impact

锂离子电池技术发展现状与趋势

锂离子电池技术发展现状与 趋势

一、文献综述 1、前言 现阶段,日本、韩国、美国等国家引领锂离子动力电池技术的发展。日本的行业技术水平具有领先优势,韩国的动力电池制造能力处于领先地位,美国则具有引领前沿的科研能力。 2、国外发展现状 2·1日本 2·11 2009年,日本政府推出了RISING计划(创新型蓄电池尖端科学基础研究事业)和U~EAD项目(汽车用下一代高性能电池系统),并于2013年更新了动力电池技术发展路线图(RM2013),具体指标有2020年电池的续航里程实现250~350km·电池系统总电量达到25~35kW·h,电池能量密度实现250Wh· kg-1,功率密变达到1500W·kg-1,循环寿命达到1000-1500次,价格成本降低到2万日元/W·h。RM2013指明了电极材料的发展方向,正极材料要发展xLiMn03·(1~x)LiMO2(M=Ni,Co,Mn,0≤x≤1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSO·F、LiMO2(M=Ni,Co,Mn);负极材料要发展Sn~CoC合金,Si基负极包括Si/C和Si0,以及Si基合金。 2·12日本具有代表性的锂离子动力电池企业为松下电池公司。松下是动力电池行业的领导者,作为Tesla最主要的动力电池供应商,凭借Tesla的发展稳居市场领导者地位,全球市场份额在20%左右。目前松下电池主要给ModelS和MndelX提供18650圆柱电池,正极采用镍钴铝三元材料(NCA),负极使用硅碳复合材料,单体能量密度可达252Wh·kg-1,而即将使用在Mode13上的21700圆柱形电池单体能量密度更是提高到300Wh·kg-1·是目前行业内能量密度最高的电池。 2·2韩国 2·21 2011年,韩国启动了包含锂离子电池关键材料、应用技术研究、评价及测试基础设施以及下一代电池研究的二次电池技术研发项目。LG化学和三星SDI是具有代表性的韩国锂离子动力电池企业,也是动力电池领域的后起之秀,两者凭借先

锂离子电池的制备及性能测试

福州大学化学化工学院 本科实验报告 课程名称:综合化学实验 实验项目名称:锂离子电池的制备及性能测试实验室名称:六号楼206 学生姓名:陈世昌 学号:11S040902103 学生所在学院:化学化工学院 年级、专业:09级化学类 实验指导教师:郭永榔 2012年10 月8 日

一、实验目的 传统使用的小型可充电电池是镍镉电池,随着便携式电子产品对电池性能要求的不断提高,人们对环境意识的不断增强,对环境友好、性能更优良的绿色电源越来越迫切。与镍镉电池、金属氢化物电池、铅酸蓄电池及可充碱性电池等传统电池相比,可充锂离子电池能量密度大(约为镍镉电池的两倍),循环寿命长,工作电压高(3.6V),环境污染小,已经广泛应用于手机、计算机,便携式电子电器,数码产品等电源,有望成为动力车的理想动力电源。锂离子电池技术是 21 世纪具有战略意义的军民两用技术以及在电子信息、新能源、环境保护等重大技术领域发展中具有举足轻重的地位和作用,这对锂离子电池性能提出了更高的要求,因此对电池材料的开发改进仍然是当前的研究热点。 本实验研究目的: 1、了解可充锂离子电池的工作原理 2、了解电解质溶液的导电机理 3、掌握纽扣锂离子电池的电极材料、电极的制备工艺及纽扣锂离子电池的装配 4、掌握锂离子电池电性能的测试方法 二、实验试剂和仪器 1、实验仪器 管式气氛炉,行星式球磨机,真空干燥箱,真空手套箱,Land 电池充放电测试系统(与计算机连接),低温试验箱,真空泵,扣式电池封口机,电子天平,粉末压片机,玛瑙研钵,干燥器等。 2、试剂 高压氩气(瓶), NH4VO3,LiOH·H2O,氢氧化钠,草酸,1mol/L LiPF6+EC/DMC(体积比 1:1)电解液,粘结剂 PVDF,导电碳黑(CABOT),N-甲基吡咯烷酮(NMP),Celgard2325 隔膜,金属锂片,电池壳(CR2025),铝集流片,360 目砂纸等。试剂名称及分子式、厂家和纯度;主要仪器型号及厂家。 三、实验结果与讨论 1、将实验数据列成表格(如表1所示),标注条件。 表1 实验数据列表 序号姓名铝片重 /g 正极片 重/g 活性物 质重 /mg 理论容 量 (C/mAh ) 0.2C容 量/mAh 0.2C电 流/mA 开路电 压/V 活性物 质重 /mg 11 陈世昌0.0518 0.0534 1.6 0.3808 0.0762 0.076 3.5 1.36 12 陈世昌0.0544 0.0566 2.2 0.5236 0.1047 0.105 2.9 1.87 2、标出 XRD 图中各个峰所对应的晶面,通过对比 XRD 实验数据和标准图谱判断合成材料属何种物质和结构;

AA-2009-锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展

锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展3 左朋建,王振波,尹鸽平,程新群,杜春雨,徐宇虹,史鹏飞 (哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001) 摘要 综述了硅酸盐正极材料的设计、特性、制备及电化学性能,介绍了基于密度泛函理论的量子化学计算在锂离子电池材料设计中的方法和理论,认为进一步开展Li 2MSiO 4及其复合材料的理论和实验研究可以获得性能优异的高容量正极材料。 关键词 锂离子电池 正极材料 硅酸盐材料 量子化学计算 电化学性能中图分类号:TM912.9 文献标识码:A Research Progress on Poly 2anionic Silicate Cat hode Materials for Lit hium Ion Batteries ZUO Pengjian ,WAN G Zhenbo ,YIN Geping ,C H EN G Xinqun , DU Chunyu ,XU Yuhong ,S H I Pengfei (School of Chemical Engineering and Science ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract The progress on the design ,preparation ,characteristics and electrochemical performance of silicate cathode materials for lithium ion batteries is reviewed.The quantum chemistry method based on the DFT is introduced to accomplish the design of lithium ion batteries.The theoretical and experimental studies on the Li 2MSiO 4and its composite are key factors to the development of next generation of high 2capacity lithium ion batteries. K ey w ords lithium ion battery ,cathode material ,silicate material ,quantum chemistry calculation ,electro 2chemical performance  3高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(200802131064);国家自然科学基金(20673032);中国博士后科学基金(No. 20070420860);哈尔滨工业大学科研创新基金(HIT.NSRIF.2008.25)  左朋建:男,博士后,讲师 尹鸽平:女,教授,博士生导师 Tel :0451286403216 E 2mail :zuopj @https://www.360docs.net/doc/fe7222077.html, 锂离子电池自20世纪90年代商业化以来,由于具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应以及环境友好等优点而成为便携式电子产品的理想电源。近年来新一代电子产品及动力工具的开发与应用对二次电源系统的比能量和比功率提出了更高要求,而新型高容量电极材料特别是正极材料的设计与制备是获得高性能锂二次电池的关键。 锂离子电池正极材料主要有无机金属化合物材料、有机分子材料和聚合物材料3大类[1],其中无机金属化合物材料已经由初始的金属硫化物发展到目前应用的金属氧化物。但是上述正极材料各自具有一些难以克服的缺点,如比容量偏低、价格较高、循环性能不理想以及存在安全隐患等[2]。相对于负极材料的研究,在过去一二十年里,尽管科学家们付出诸多努力开发出多种正极材料,但具有理想容量的可实用化材料始终未能得到[3]。目前商业化锂过渡金属氧化物的理论容量也相对较低,而且材料在充电态时由于具有强的氧化性而易与电解液发生反应,从而影响电池的安全性能。 以LiFePO 4为代表的聚阴离子型正极材料的出现为下一代高比能量、高比功率锂离子电池的出现注入了强劲动 力[4]。作为安全廉价正极材料的重要选择,聚阴离子型的硅 酸盐正极材料如Li 2FeSiO 4和Li 2MnSiO 4也引起了科研工作者的重点关注,特别是在此类材料的通式(Li 2MSiO 4)中由于含有的活性锂较LiFePO 4材料多1倍,因此,硅酸盐聚阴离子正极材料的开发为寻找新型高容量电极材料提供了重要的可行性。如在Li 2MnSiO 4材料中,由于不同于Li 2FeSiO 4化合物中的Fe 只存在2种价态过渡金属离子(Fe Ⅱ和Fe Ⅲ), Mn 存在更高的氧化态,即若从Li 2MnSiO 4材料中脱出的锂 离子超过1个(单位化学式中),那么Mn Ⅲ(对应的化合物为 LiMnSiO 4)就能进一步氧化为Mn Ⅳ,并最终生成全脱锂态的Mn Ⅳ SiO 4化合物。如果全脱锂态的化合物是稳定的,那么其 对应的可逆容量可以达到333mA ?h/g 。这将会是自1991年锂离子电池问世以来电极材料容量研究领域一个重要的突破。然而,目前的聚阴离子型硅酸盐正极材料的实际可逆容量大都维持在100mA ?h/g 左右,即使起始几个循环的可逆容量较高,其后材料也会发生较大的容量衰减。 因此,进一步明确此类正极材料的结构特性和嵌脱锂反应机理,找到材料的失效机制和容量衰减原因,完成高容量、安全性好的复合型聚阴离子硅酸盐正极材料的设计和制备,

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