32-锂离子电池纳米材料
纳米材料应用技术的新进展
纳米材料应用技术的新进展
纳米材料应用技术是指将纳米材料应用于各个领域的技术。
近年来，随着纳米技术的不断发展，纳米材料的应用领域也在不断扩大，以下是一些纳米材料应用技术的新进展：
1. 生物医学领域：纳米材料在生物医学领域的应用已经取得了很大的进展。
例如，纳米材料可以用于药物传递、基因治疗、生物传感器等方面。
通过将药物包裹在纳米材料中，可以提高药物的溶解度和生物利用度，减少药物的毒副作用。
2. 能源领域：纳米材料在能源领域的应用也备受关注。
例如，纳米材料可以用于太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等方面。
通过使用纳米材料，可以提高电池的能量密度和循环寿命，从而提高能源的利用效率。
3. 环境保护领域：纳米材料在环境保护领域的应用也有很大的潜力。
例如，纳米材料可以用于水处理、空气净化、土壤修复等方面。
通过使用纳米材料，可以去除水中的有害物质、空气中的污染物和土壤中的有毒物质，从而保护环境和人类健康。
4. 电子信息领域：纳米材料在电子信息领域的应用也在不断拓展。
例如，纳米材料可以用于制造电子元件、传感器、显示器等方面。
通过使用纳米材料，可以提高电子元件的性能和可靠性，减小电子产品的尺寸和重量。
总之，纳米材料应用技术的新进展为各个领域的发展带来了新的机遇和挑战。
随着研究的不断深入，相信纳米材料的应用将会更加广泛和深入。
1。
锂离子电池研究_综述
锂离子电池研究综述—陈欢1 锂离子电池简介离子电池又称为“摇椅电池”，是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。
电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液，根据所用电解质的状态，可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。
1.1 锂离子电池的工作原理[1]一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。
虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。
充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。
再充电，又重复上述过程。
以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以LiCoO2为正极材料时，其充放电原理为：充电时，Li+从LiCoO2中发生脱嵌，释放一个电子，C3+被氧化为C4 +，与此同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂—碳层间化合物Li x C6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极LiCoO2中。
图1 锂离子电池从放电示意图1.2 锂离子电池的优缺点[2](1)能量密度高，输出功率大。
(2)平均输出电压高(约3.6V)，为Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍。
(3)工作温度范围宽，一般能在-20-45℃，期望值为-40-70℃。
(4)无记忆效应。
(5)可快速充放电，充放电效率高，可达100%。
(6)没有环境污染，称为绿色电池。
(7)使用寿命长，可达1200次左右。
当然，目前的锂离子电池还存在一些不足。
(1)成本较高，主要是正极材料的价格高，随着正极材料的研究开发不断深入一些新的更廉价的正极材料，如LiMnZO4、LiFePO4等己经初步商品化。
(2)过充电的安全问题还需要进一步解决;(3)与普通电池的相容性差，一般要在用3节AA电池(3.6V)的情况下才可以用锂离子电池代替。
2. 锂离子电池的正极材料为了提高锂离子电池的输出电压、比容量、循环使用寿命，目前正在开发的正极材料主要是具有层状结构、尖晶石结构和橄榄石结构的嵌入化合物，主要有氧化钻锂、氧化镍锂、氧化锰锂、磷酸亚铁锂、三元复合材料等。
锂电池负极材料大体分为以下几种
锂电池负极材料大体分为以下几种：第一种是碳负极材料：目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。
第二种是锡基负极材料：锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。
氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。
目前没有商业化产品。
第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。
第四种是合金类负极材料：包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金，目前也没有商业化产品。
第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。
第六种纳米材料是纳米氧化物材料：目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。
锂金属电池锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极（负极）、以二氧化锰为阴极（正极），并采用有机电解液的一次性电池。
该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤10%)；工作温度范围－20℃～+60℃。
该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。
锂离子电池可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。
因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。
锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在±1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。
现在手机已十分普遍，基本上都是使用锂离子电池。
正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。
Ni3S2纳米片的原位制备及储锂性能研究
Ni3S2纳米片的原位制备及储锂性能研究岳红伟;陈淑君;魏成宇【摘要】采用原位生长法, 以泡沫Ni为衬底成功制备出具有三维互联结构的Ni3S2纳米片.利用XRD、SEM、TEM分别对材料进行组分、形貌和晶体结构的表征分析.生长在泡沫镍上的Ni3S2纳米片直接作为锂离子电池电极, 免去了传统电极制备所必须的导电剂和粘结剂.电化学测试结果表明, 电极具有高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能.在500 m A/g电流密度下经过80次循环, 可逆比容量仍保持在850 m Ah/g.%Three-dimensional interconnected Ni3S2 nanosheets were successfully synthesized on Ni foam by in-situ growth method. The components, crystal structure and morphology were characterized by X-ray diffraction ( XRD) , scanning electron microscopy ( SEM) and transmission electron microscopy ( TEM) , respectively.The obtained Ni3S2 nanosheets on Ni foam were directly used as an anode for lithium-ion batteries without using any binder or conducting additive traditionally. The anodes showed the high reversible capacity, good cycle stability and superior rate capability. A reversible capacity of up to 850 m Ah/g was obtained after 80 cycles at a current density of 500 m A/g.【期刊名称】《许昌学院学报》【年(卷),期】2018(037)012【总页数】4页(P54-57)【关键词】Ni3S2;锂离子电池;负极材料;原位生长【作者】岳红伟;陈淑君;魏成宇【作者单位】许昌学院新材料与能源学院,河南许昌 461000;许昌学院化学化工学院,河南许昌 461000;许昌学院新材料与能源学院,河南许昌 461000【正文语种】中文【中图分类】TB383;TQ152锂离子电池具有能量密度大、使用寿命长和易维护等特点，应用非常广泛[1, 2].电动汽车和可再生能源发电亟需高容量、大功率性能的锂离子电池.电池性能关键在于电极材料的选择、形貌和结构设计[3].目前商用锂离子电池的负极材料主要是石墨，具有导电率高、成本低等优点，但储锂的理论比容量仅为372 mAh/g，且倍率性能差，无法满足实际需要[4].金属硫化物具有氧化还原可逆性出色、硫资源丰富、电化学性能优异等特点.硫化镍(Ni3S2)理论比容量高(472 mAh/g)、成本低、易合成、无毒，但是充放电过程中较大的体积形变易使其粉碎，从集流体上脱落，使电极的循环稳定性变差，影响电极的大电流充放电循环.纳米材料具有更强的机械性能，可适应更大的形变应力；同时还具有短的锂离子扩散距离和大的电极材料/电解液接触面积[5].本论文采用原位生长法，以泡沫镍为基底来制备Ni3S2纳米片，Ni3S2纳米片具有三维互联结构，可以增大电解液与电极片的接触面积，增加化学反应位点，有利于电解液浸润电极材料，利于锂离子的快速传输迁移，从而获得优异的电化学性能.1 实验部分1.1 Ni3S2纳米结构的生长用分析天平称量Na2S2O3 (0.2 mmol, 48 mg)和Na2SO4 (1 mmol, 142 mg)，溶于35 mL去离子水中，磁力搅拌至药品完全溶解，然后将溶液转移到高压反应釜中，将处理好的泡沫镍小片垂直浸入混合溶液中.密封后的反应釜置入150 ℃恒温干燥箱中反应2 h，自然冷却至室温，取出泡沫镍小片，观察到其表面变成黑色.用去离子水冲洗数次，在恒温干燥箱中60 ℃下干燥后称重.1.2 样品表征用X射线衍射仪(XRD，RINT-2400)对Ni3S2用的结构和物相进行了测试分析，X 射线源为Cu Kα(λ= 0.154 nm)，扫描速度为0.02°/s.用场发射扫描电镜(FE-SEM，Nova NanoSEM 450)和透射电子显微镜(FEI，Tenai G2 F30)对电极的表面形貌进行了表征.1.3 电池组装将在泡沫镍上制备的Ni3S2纳米片作为电池电极直接组装到CR-2032型纽扣锂离子半电池中，对其储锂性能进行测试.Ni3S2纳米片电极作为正极，锂片作为负极，Celgard 2320作为隔膜.电解液为1 mol/L的六氟磷锂(LiPF6)溶解在体积比为11的碳酸乙烯酯(EC)与碳酸甲基乙基酯(EMC)混合溶剂中.电池组装在氩气手套箱(Labstar，O2、H2O<0.5 ppm)中进行.用新威多通道电池测试系统(BTS-610)对组装后的电池进行恒流充放电循环性能测试，电压测试窗口设为0.02～3.0 V.2 结果与讨论2.1 电极材料的结构、成分与形貌图1 Ni3S2纳米片的X射线衍射(XRD)谱图1是水热法在泡沫镍上制备样品的XRD谱.可以看到，在衍射角为43.9°、50.9°和74.6°处出现的强衍射峰(用#标出)是泡沫镍衬底的XRD峰.在2θ分别为21.7°、31.1°、37.7°、38.2°、50.1°、55.1°和55.3°的衍射峰，分别是Ni3S2的(010)、(110)、(111)、(111)、(120)、(121)和(211)晶向的特征衍射峰(JCPDs No. 85-1802).XRD谱中再无其他衍射峰信号，说明制备的Ni3S2样品纯度较高、结晶性能良好.图2是在不同放大倍数下Ni3S2纳米片的形貌图.a、b中相互联结的Ni3S2纳米片均匀生长在泡沫镍的表面，构建出一个三维网状纳米片阵列.c中单个纳米片的厚度约10 nm,当这种直接生长在金属泡沫镍上的相互连结的三维网状纳米片结构作为锂离子电池电极时，不仅能够有效增大活性材料和电解液的接触面积，而且能增强循环过程中活性材料和集流体之间的电子传输能力.d是样品的TEM图，样品呈纳米片状结构，其高度约为500 nm,插图是高分辨TEM图，间距为0.28 nm的晶格条纹对应Ni3S2的(110)晶面间距.图2 Ni3S2纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图(a-c)和透射电镜图(TEM/HR-TEM)图(d)基于上述观察，我们推断泡沫镍上生长三维网状Ni3S2纳米片的可能反应机理如下：(1)S2O32-+H2O→SO42-+H2S，(2)H2S+2H2O→2H3O++S2-，(3)2S2-+O2+2H2O+3Ni→Ni3S2+4OH-.2.2 MnO纳米片电极的储锂性能图3 电流密度为500 mA/g下电极的充放电曲线图3为Ni3S2电极在500 mA/g电流密度下的充放电曲线图，测试电压窗口为0.2～3.0 V.可以看到，首次放电过程中放电曲线在位于1.5 V处有一个电压平台，这是由于Ni3S2(4Li+ + 4e- + Ni3S2 → 3Ni + 2Li2S)的还原以及在活性材料表面上形成固体电解质相界面(SEI)；充电过程中存在一个位于2.0 V的电压平台，对应于Ni3S2(3Ni + 2Li2S→Ni3S2 + 4Li++ 4e-)的形成[5].在随后的循环中，锂离子电池的充放电平台几乎无任何变化，说明电极材料具有较好的结构稳定性.电极在不同电流密度下的循环稳定性如图4所示. a为Ni3S2电极在500 mA/g电流密度下的循环稳定性测试结果，测试电压范围为0.02～3.0 V.电极第一次充放电的比容量分别为1 545 mAh/g和1 490 mAh/g，造成不可逆容量损失的主要原因是在首次嵌锂过程中电解液发生分解，而且在电极材料表面形成SEI膜的过程中会消耗一定量的锂离子，产生不可逆的容量.经过80次循环，电池的比容量仍然稳定在1 559 mAh/g左右，说明电极具有较好的容量保持率.b制备的电极在不同测试电流密度下均具有较高的循环稳定性，在2 A/g的测试电流密度下，仍得到接近550 mA h/g的比容量.较好的循环性能和倍率性能说明，发生在电池中的电化学还原过程所得到的纳米集流体具有较好的结构稳定性和导电性.a中插图显示所组装的纽扣锂离子电池具有一定的开路电压和容量，单个电池即可驱动红色LED灯.图4 Ni3S2纳米片电极的循环性能图(a)和倍率循环性能曲线(b)，插图为电池驱动红色LED灯的光学照片3 结论以泡沫镍为镍源，硫脲为硫源制备了具有三维互联结构的Ni3S2纳米片，研究了其电化学性能.结果表明：Ni3S2纳米片直接生长于金属泡沫镍的骨架上，具有优异的储锂性能，提高了电极的整体导电性；纳米片的三维互联结构，有利于增大材料与电解液的接触面积，增多反应的活性位点，还能为材料在储锂过程中的体积变化提供空间，减小离子的扩散距离.参考文献：【相关文献】[1] Yue H W, Li Q, Liu D Q, et al. High-yield fabrication of graphene-wrapped silicon nanoparticles for selfsupp-ort and binder-free anodes of lithium-ion batteries [J]. Journalof Alloys and Compounds, 2018, 744: 243-251.[2] Lai C H, Lu M Y, Chen L J. Metal sulfide nanostructures: synthesis, properties and applications in energy conversion and storage [J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22: 19-30.[3] Wang Y, Niu Y B, Li M C. The effect of the morphologies of Ni3S2 anodes on the performance of Lithium-ion batteries [J]. Chemistryselect, 2017, 2(16): 4 445-4 451.[4] Ni S B, Yang X L, Li T. Fabrication of porous Ni3S2/Ni nanostructured electrode and its application in lithium ion battery [J]. Materials Chemistry & Physics, 2012, 132(2-3): 1 103-1 107.[5] Li D, Li X W, Hou X Y, et al. Building a Ni3S2 nanotube array and investigating its application as an electrode for lithium ion batteries [J]. Chemical Communications, 2014, 50: 9 361-9 364.。
纳米材料在电池中的应用
纳米材料在电池中的应用【摘要】纳米材料在电池中的应用具有重要意义。
在电池制造领域，纳米材料的应用可以大大提高电池性能，增加电池的存储容量，提高电池的循环寿命，降低电池的成本。
纳米材料还可以应用于不同类型的电池中，包括锂离子电池、钠离子电池等。
纳米材料在电池中的广泛应用前景显示了其为电池技术发展带来的新机遇，为推动电池技术的进步和应用奠定了基础。
随着纳米材料技术的不断发展，电池性能将得到进一步提升，为电动汽车、手机等设备提供更加高效和稳定的能源支持。
【关键词】关键词：纳米材料、电池、性能、存储容量、循环寿命、成本、应用、技术发展、机遇、广泛应用、新机遇1. 引言1.1 纳米材料在电池中的应用纳米材料在电池中的应用已经成为当前研究的热点之一。
随着纳米科技的发展，纳米材料在电池中的应用呈现出了巨大的潜力和优势。
纳米材料具有特殊的表面积和电化学活性，能够显著提高电池的性能。
由于纳米材料的微观结构和性质的特殊优势，可以有效增加电池的存储容量，提高电池的循环寿命。
纳米材料还可以降低电池的成本，提高电池的能量密度和电荷速度。
纳米材料在不同类型电池中的应用也具有广泛的前景，包括锂离子电池、钠离子电池、锌空气电池等。
纳米材料在电池中的应用有望为电池技术的发展带来新的机遇和挑战，展现出了巨大的潜力和广阔的应用空间。
纳米材料在电池中的广泛应用前景令人期待，为电池技术的不断进步和创新注入了新的活力和动力。
2. 正文2.1 纳米材料提高电池性能纳米材料在电池中的应用正文部分：随着科技的不断进步，纳米材料在电池中的应用也日益广泛。
纳米材料具有较大的比表面积和独特的电化学性质，可以显著提高电池性能。
纳米材料具有更高的导电性和热稳定性，可以有效降低电池内部电阻，提高电池的充放电效率和功率密度。
纳米材料能够提供更多的活性位点，从而增加电极表面与电解质的接触面积，提高电化学反应速率，进而提高电池的能量密度和循环稳定性。
纳米材料还能有效抑制电池内部的极化现象，提高电池的循环寿命和使用安全性。
锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展
锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【摘要】传统的采用液态电解液的锂电池常因漏液等问题容易造成安全隐患.使用凝胶聚合物电解质可以显著提高电池的安全性能,并可使电池具有薄型化、轻便化和形状可变等优点.本文介绍了凝胶聚合物电解质的优缺点、分类,并对聚环氧乙烷(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)基凝胶聚合物电解质的研究进展进行了介绍.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)008【总页数】6页(P12-17)【关键词】凝胶聚合物电解质;PEO;PMMA;PAN;PVDF-HFP【作者】王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【作者单位】多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006【正文语种】中文【中图分类】TQ27.267Abstract:Traditional lithium battery adopting liquid electrolyte always causes hidden safety problems due to leakage.Safety performance is significantly increased using gel polymer electrolyte.What is more, gelpolymer electrolyte makes it possible for batteries to be thinner,lighter and more variable in shape advantages.In this paper, theadvantages,disadvantages and classification of gel polymer electrolytes are introduced,and research progress of gel polymer electrolyte based on PEO,PMMA,PAN and PVDF-HFP is introduced.Key words:gel polymer electrolyte ; PEO ; PMMA ; PAN ; PVDF-HFP随着能源需求的不断增长、天然资源的日益枯竭和生存环境的逐步恶化，我们迫切需要开发新型清洁能源，以促进可持续发展[1]。
纳米新材料
纳米新材料纳米新材料是一种在纳米尺度上具有特殊性质和优良性能的材料，其粒径通常在1-100纳米之间。
由于纳米尺度的特殊性质，纳米新材料在材料科学、化学、物理学等领域有着广泛的应用和研究价值。
首先，纳米新材料的特殊性质使其在材料科学领域有着广泛的应用。
纳米颗粒的特殊形状和尺寸使其具有良好的光学、电学、磁学和力学性能。
例如，纳米颗粒材料能够表现出优异的导电和导热性能，因此被广泛应用于电子器件、光电器件和催化剂等领域。
此外，纳米材料还具有较大的比表面积和高的表面能，使其在催化、吸附、储能和储氢等方面具有独特的优势。
其次，纳米新材料在生物医药领域也有着重要的应用。
纳米颗粒具有较大的比表面积和良好的生物相容性，适合用于制备药物载体、生物成像和控释药物等方面。
纳米颗粒材料可以通过改变颗粒的尺寸和形状，调节药物的释放速率和吸附性能，提高药物的治疗效果。
同时，纳米材料还可以用于生物传感器、生物探针和基因传递等方面，为生物医学研究和临床诊断提供有力的支持。
此外，纳米新材料还在环境保护和能源领域有着很大的应用潜力。
纳米材料在环境污染治理方面具有独特的优势，可以通过吸附、催化和光催化等方式，高效地去除重金属离子、有机物和废气等污染物。
另外，纳米材料的独特性质还有助于提高能源的转换效率和储存能力。
例如，纳米材料可以用于太阳能电池、燃料电池和锂离子电池等能源装置的制备，提高能源利用效率和延长电池的寿命。
总之，纳米新材料具有特殊的性质和优良的性能，有着广泛的应用前景。
纳米材料在材料科学、化学、物理学以及生物医药、环境保护和能源等领域发挥着重要的作用，对于推动科技进步和社会发展具有重要意义。
随着纳米科技的不断发展和突破，纳米新材料的研究和应用也将迎来更广阔的前景。
锂离子电池正负极材料的制备与性能评估
锂离子电池正负极材料的制备与性能评估锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储设备，已经成为现代社会不可或缺的一部分锂离子电池正负极材料的制备方法及其性能评估1. 锂离子电池正极材料的制备与性能锂离子电池正极材料主要采用过渡金属氧化物，如锂钴氧化物（LCO）、锂镍氧化物（LNO）、锂锰氧化物（LMO）等这些材料具有高比容量、良好的循环稳定性和较长的使用寿命1.1 锂钴氧化物（LCO）LCO是最早使用的锂离子电池正极材料之一，具有较高的比容量和输出电压制备LCO通常采用固相反应法，即将钴酸锂和碳酸锂按照一定比例混合，在高温下烧结烧结过程中，钴酸锂和碳酸锂发生反应生成LCO1.2 锂镍氧化物（LNO）LNO具有较高的理论比容量，可达3860 mAh·g^-1制备LNO的方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、熔融盐法等其中，固相反应法是最常用的方法，通过将镍酸锂和碳酸锂按照一定比例混合，在高温下烧结得到LNO1.3 锂锰氧化物（LMO）LMO具有资源丰富、成本低、环境友好等优点，但其循环稳定性和导电性能相对较差制备LMO常用的方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、水热法等固相反应法是将锰酸锂和碳酸锂按照一定比例混合，在高温下烧结得到LMO2. 锂离子电池负极材料的制备与性能锂离子电池负极材料主要采用石墨、硅基材料、锡基材料等这些材料具有较高的比容量和良好的循环稳定性2.1 石墨石墨是商业化应用最广泛的锂离子电池负极材料，其主要通过天然石墨或人造石墨进行制备天然石墨可直接用作负极材料，人造石墨通常采用氧化石墨烯、石墨化氧化石墨等方法进行制备2.2 硅基材料硅基材料具有极高的理论比容量，可达4200 mAh·g^-1制备硅基材料的方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等其中，固相反应法是将硅和碳按照一定比例混合，在高温下烧结得到硅碳复合材料2.3 锡基材料锡基材料具有较高的比容量和良好的循环稳定性制备锡基材料的方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、水热法等其中，固相反应法是将锡酸锂和碳按照一定比例混合，在高温下烧结得到锡碳复合材料本文主要对锂离子电池正负极材料的制备方法及其性能进行了分析在正极材料方面，过渡金属氧化物如LCO、LNO、LMO等具有较高的比容量和循环稳定性；在负极材料方面，石墨、硅基材料、锡基材料等具有较高的比容量和良好的循环稳定性然而，这些材料在实际应用中仍存在一定的问题，如成本、循环稳定性、安全性等因此，进一步研究和开发新型正负极材料，提高电池性能，降低成本，是锂离子电池领域的重要研究方向3. 正极材料的性能优化为了提高锂离子电池正极材料的性能，研究者们采取了多种措施进行性能优化主要包括以下几个方面：3.1 掺杂掺杂是提高正极材料性能的有效手段之一通过引入异种元素，可以调整材料的电子结构和电化学性能例如，在LCO中掺杂铝、镁等元素，可以提高其循环稳定性和抗热性能3.2 表面修饰表面修饰是通过在正极材料表面涂覆一层活性物质，如导电聚合物、碳材料等，以提高其导电性和稳定性表面修饰可以防止正极材料在电解液中溶解，减少电极材料的损失3.3 纳米化纳米化是提高正极材料性能的重要途径之一纳米化可以增加材料的比表面积，提高其电化学活性此外，纳米化还可以减少晶粒间的传输阻力，提高锂离子的扩散速率4. 负极材料的性能优化与正极材料类似，负极材料的性能优化也是电池性能提升的关键优化方法主要包括：4.1 复合化复合化是将负极材料与其他材料（如碳、硅等）复合，以提高其导电性和稳定性复合化可以减少负极材料的体积膨胀，提高其循环稳定性4.2 表面修饰与正极材料类似，负极材料也可以通过表面修饰来提高其性能表面修饰可以防止负极材料在电解液中溶解，减少电极材料的损失4.3 纳米化纳米化同样是提高负极材料性能的有效手段纳米化可以增加材料的比表面积，提高其电化学活性此外，纳米化还可以减少晶粒间的传输阻力，提高锂离子的扩散速率5. 电池性能的评估方法电池性能的评估是锂离子电池研究和应用的重要环节常见的性能评估方法有：5.1 循环伏安法循环伏安法是通过测量电池在充放电过程中的电压-电流曲线，分析电池的电化学性能该方法可以获得电池的比容量、输出电压、电极反应速率等信息5.2 充放电测试充放电测试是评估电池性能的常用方法通过测量电池在充放电过程中的容量、电压、内阻等参数，可以评估电池的循环稳定性、库仑效率等性能5.3 电化学阻抗谱电化学阻抗谱是通过测量电池在不同频率下的阻抗值，分析电池的电化学反应过程和性能该方法可以获得电池的电极过程、界面阻抗等信息6. 总结本文从锂离子电池正负极材料的制备、性能优化及性能评估方法等方面进行了详细分析正极材料和负极材料是锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响电池的整体性能通过掺杂、表面修饰、纳米化等手段可以有效提高正负极材料的性能同时，循环伏安法、充放电测试、电化学阻抗谱等方法是评估电池性能的重要手段通过对正负极材料的制备和性能优化，可以进一步提高锂离子电池的性能，满足不断增长的能源存储需求7. 正极材料的结构调控为了进一步提高锂离子电池正极材料的性能，研究者们通过结构调控来实现更优的电化学性能结构调控包括：7.1 晶格优化通过调控材料的晶格结构，可以提高其锂离子扩散速率和对锂离子的容纳能力例如，通过调控LCO的晶格参数，可以提高其电化学性能7.2 微结构调控通过调控正极材料的微结构，如晶粒尺寸、形状等，可以提高其电化学性能例如，通过制备纳米级的正极材料，可以增加其比表面积，提高电化学活性7.3 界面结构调控通过调控正极材料与电解液之间的界面结构，可以提高电池的界面稳定性，减少界面阻抗例如，通过表面修饰或涂覆一层导电聚合物，可以提高正极材料的界面稳定性8. 负极材料的结构调控负极材料的结构调控同样重要，以提高其电化学性能结构调控方法包括：8.1 晶格调控通过调控负极材料的晶格结构，可以提高其锂离子的扩散速率和对锂离子的容纳能力例如，通过调控石墨的晶格结构，可以提高其电化学性能8.2 微结构调控通过调控负极材料的微结构，如孔隙度、晶体取向等，可以提高其电化学性能例如，通过制备多孔石墨，可以增加其比表面积，提高电化学活性8.3 界面结构调控通过调控负极材料与电解液之间的界面结构，可以提高电池的界面稳定性，减少界面阻抗例如，通过表面修饰或涂覆一层导电聚合物，可以提高负极材料的界面稳定性9. 电池性能的长期稳定性评估电池性能的长期稳定性是锂离子电池实际应用的关键长期稳定性评估通常包括：9.1 长期循环寿命测试通过长时间循环充放电测试，评估电池的循环稳定性这种测试可以模拟电池在实际应用中的长期性能变化9.2 长期存储性能测试通过长时间存储测试，评估电池的存储稳定性这种测试可以模拟电池在长时间不使用时的性能变化9.3 长期热稳定性测试通过长时间热稳定性测试，评估电池在高温或低温条件下的性能变化这种测试可以模拟电池在极端环境下的性能变化10. 结论锂离子电池正负极材料的制备和性能优化是电池性能提升的关键通过结构调控、性能优化和长期稳定性评估，可以进一步提高锂离子电池的性能然而，锂离子电池的研究和应用仍然面临许多挑战，如成本、安全性等因此，继续研究和开发新型正负极材料，提高电池性能，降低成本，是锂离子电池领域的重要研究方向。
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锂离子电池工作原理图 schematic representation and operation principle of rechargeable
lithium ion battery
锂离子电池性能参数指标
电池内阻
电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻 与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时 间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池 内阻是衡量电池性能的一个重要参数。
丰富 无毒
良好 ＞ 50快 速衰减
丰富
贫乏
丰富
无毒 钴有放射性 镍有毒
良好
差
差
高温不 -20 ～55
N/A
稳定
贫乏 钴、镍有毒
尚好 -20 ～55
正极材料容量和电压关系图
锂钴氧
性能稳定 价格高 钴是有毒元
素
磷酸铁锂系
循环性能好 低温性能差 合成的批次稳
定性差
锂锰氧
价格低廉 放电比容量低 高温性能不佳 二价锰溶于电
Akshaya Padhi
LiFePO4
LiFePO4在自然界中是以磷酸锂铁矿的形式存在的，具有正交的橄榄石结构 （空间群为Pnma），如图所示。在LiFePO4中，氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆 积方式排列。Fe与Li分别位于氧原子八面体中心位置，形成了FeO6和LiO6八面体 。P占据了氧原子四面体4c位置，形成了PO4四面体。在bc面上，相邻的FeO6八 面体共用一个氧原子，从而互相连接形成Z字形的FeO6层。在FeO6层之间，相邻 的LiO6八面体通过b方向上的两个氧原子连接，形成了与c轴平行的Li+的连续直 线链，这使得Li+可能形成二维扩散运动。
纳米结构材料在锂离子电池的应用
内容
锂离子电池基本概念 正极材料 负极材料 电解质材料 隔膜材料
锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司 提出者
层状结构的石墨 负极
锂离子电池
正极
锂与过渡金属的 复合氧化物
120-150Wh/kg 比能量 是普通镍镉电池
的2-3倍
电压 高达3.6V
锂离子电池区别于锂电池
LiFePO4的出现
1997年Padhi和Goodenough发现 具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁 锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具 安全性，尤其耐高温，耐过充电性能 远超过传统锂离子电池材料。因此已 成为当前主流的大电流放电的动力锂 电池的正极材料。
A.K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, and J. B. Goodenough Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 4, April 1997
96500/157.756/3.6=170 mA h/g
常见正极材料及其性能比较
磷酸铁锂
锰酸锂
钴酸锂 镍酸锂 镍钴锰三元材料
材料主成分 LiFePO4
理论能量密
170
度（mAh/g）
实际能量密 130-140 度（mAh/g）
电压（V） 3.2-3.7
循环性（次） ＞2000
LiMn2O4 LiMnO2
自放电率
自放电率又称荷电保持能力，是指 电池在开路状态下，电池所储存的电 量在一定条件下的保持能力。主要受 电池的制造工艺、材料、储存条件等 因素的影响。是衡量电池性能的重要 参数。
充电效率和放电效率
充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的 化学能程度的量度。主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响， 一般环境温度越高，则充电效率要低。
因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求， 如果低于要求值，则会出现无法工作的情况。所以放电平台 是衡量电池性能好坏的重要标准之一。
充放电倍率
充放电倍率是指电池在规定的时间 内放出其额定容量时所需要的电流值， 1C在数值上等于电池额定容量，通常 以字母C表示。如电池的标称额定容 量为10Ah，则10A为1C（1倍率）， 5A则为0.5C，100A为10C，以此类 推。
早期的锂电池 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍之前，
先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后 电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放 电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般情况下这种 电池是禁止充电的。
固相合成法
固相合成法是最早用于磷酸铁 锂合成的方法，通常采用碳酸 锂、氢氧化锂为锂源，醋酸亚 铁、草酸亚铁等有机铁盐以及 磷酸二氢铵等的均匀混合物为 起始物，经预烧和研磨后高温 合成。
共沉淀法
共沉淀法制备超细氧化物由来已久，其具体过程是将适当的原材 料溶解后，加入其他化合物以析出沉淀，干燥、焙烧后得到产物。 由于溶解过程中原料间的均匀分散，故共沉淀的前体可实现低温 合成。但是由于共沉淀方法自身的特点，前驱物沉淀往往在瞬间 产生，各元素的比例往往难于控制。经过焙烧后，很可能会导致 产物中各元素的非化学计量性。
148
286
100-120 200
3.8-3.9 3.4-4.3
＞500
差
LiCoO2 274
135-140
3.6 ＞300
LiNiO2 274
LiNiCoMnO2 278
190-210
155-165
2.5-4.1 差
3.0-4.5 ＞800
过渡金属 环保性
安全性能 适用温度
(℃)
非常丰富 无毒
好 -20～75
锂离子电池 的主要组成部分
正极材料 负极材料
隔膜
电解液
外壳
锂离子电池主要组分常见材料
二次锂电池正负极材料电压-容量分布图
Voltage versus capacity for positive- and negative-electrode materials presently used or under serious considerations for the next generation of rechargeable Li-based cells.
磷酸铁锂合成方法
自20世纪90年代末期以来 ,橄榄石型磷酸铁锂 (LiFePO4 )正极材料的研 究引起起广大研究者的关注。有望成为新一代首选的可替代 LiCoO2的锂离 子电池正极材料,特别是作为动力锂离子电池正极材料。
其他方法 溶胶-凝胶合成法
微波合成
LiFePO4
共沉淀法 固相合成法
水热/溶剂法
锂离子电池特点
与镍镉（Ni/Cd）、镍氢（Ni/MH）电池相比，锂离子电池的主要特点如 下：
重量能量密度 （Wh/kg）
循环寿命 （至初始容量
80%） 单体额定电压(V)
过充承受能力 月自放电率 （室温）
镍镉电池 45-80 1500
1.25 中等 20%
镍氢电池 60-120
铅酸电池 30-50
容量单位：mAh、 Ah(1Ah=1000mAh)。
开路电压和工作电压 开路电压是指电池在非工
作状态下即电路中无电流流过 时，电池正负极之间的电势差。 一般情况下，锂离子电池充满 电后开路电压为4.1—4.2V左 右，放电后开路电压为3.0V 左右。通过对电池的开路电压 的检测，可以判断电池的荷电 状态。
电池的容量
电池的容量有额定容量和实际容量 之分。锂离子电池规定在常温、恒流 (1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下， 充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所 放出的电量为其额定容量。 电池的实际 容量是指电池在一定的放电条件下所放 出的实际电量，主要受放电倍率和温度 的影响（故严格来讲，电池容量应指明 充放电条件）。
微波合成法
微波合成法是近年发展起来的陶瓷 材料的制备方法，目前已有人将该
法应用于制备磷酸铁锂 。
Higuchi等[1]考察了不同的铁源对 微波烧结法制得的LiFePO4性能的影 响。结果表明，以醋酸铁为铁源比以 乳酸铁为铁源制得的LiFePO4具有更 高的首次充放电容量，但循环性能却 低于后者。
从结构上看，PO4四面体位于FeO6层之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩 散运动。此外，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接，与层状结构（LiMO2， M=Co，Ni）和尖晶石结构（LiM2O4，M=Mn）中存在共棱的MO6八面体连续 结构不同，共顶点的八面体具有相对较低的电子传导率。因此，LiFePO4的结 构内在地决定了其只适合于小电流密度下充放电。LiFePO4的脱锂产物为FePO4， 实际的充放电过程是处于FePO4/LiFePO4 两相共存状态的。FePO4与LiFePO4的 结构极为相似，体积也较接近，相差6.81%。由于充放电过程中结构与体积变
工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负 极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服 电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。 锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。
放电平台时间
放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电 时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压 充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充 满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至 3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。
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