锂离子电池材料的制备和电化学性能表征
《锂离子电池硅基负极材料制备与性能研究》
《锂离子电池硅基负极材料制备与性能研究》一、引言随着科技的飞速发展，对便携式电子设备的需求与日俱增，作为这些设备的主要能源，锂离子电池的性能日益受到重视。
而负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响到电池的整体性能。
近年来，硅基负极材料因其高比容量、低放电平台等优点，逐渐成为研究的热点。
本文将详细介绍锂离子电池硅基负极材料的制备方法及其性能研究。
二、硅基负极材料的制备（一）原料选择与准备制备硅基负极材料，需要的主要原料包括硅源、导电剂和粘结剂等。
其中，硅源的选择对最终材料的性能具有重要影响。
常用的硅源有微米硅、纳米硅等。
此外，还需选择导电性能良好的导电剂和具有良好粘结性的粘结剂。
（二）制备方法目前，制备硅基负极材料的方法主要有化学气相沉积法、球磨法、溶胶凝胶法等。
本文采用溶胶凝胶法进行制备。
该方法首先将硅源、导电剂和粘结剂混合均匀，形成溶胶状混合物，然后通过热处理使混合物凝胶化，最后进行烧结得到硅基负极材料。
三、硅基负极材料的性能研究（一）材料结构与形貌分析通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对制备的硅基负极材料进行结构与形貌分析。
XRD可以确定材料的晶体结构，SEM则可以观察材料的微观形貌和颗粒大小。
（二）电化学性能测试采用恒流充放电测试、循环伏安法（CV）等手段对硅基负极材料的电化学性能进行测试。
恒流充放电测试可以了解材料的比容量、首次效率、库伦效率等；CV曲线则可以反映材料的氧化还原反应过程及电极反应的可逆性。
（三）性能对比分析将所制备的硅基负极材料与商业石墨负极材料进行性能对比分析。
在相同条件下进行充放电测试，比较两者的比容量、循环性能、倍率性能等。
同时，分析硅基负极材料的优势与不足，为后续研究提供参考。
四、实验结果与讨论（一）实验结果通过上述制备方法和性能测试手段，得到了硅基负极材料的结构与形貌数据、电化学性能数据以及性能对比分析结果。
（二）结果讨论结合实验结果和前人研究，对硅基负极材料的制备过程、结构与性能关系进行深入分析。
实验报告三(金属锂电池的制作与性能表征)12550701021钟如达.
实验报告实验三:纽扣金属锂电池(商品)的制造与性能表征班级： 12应化A班学号：12550701021 姓名：钟如达一、实验原理一次性金属锂离子电池是由金属锂负极，过渡金属氧化物正极（如MnO2），隔膜为微孔薄膜和电解质为LiPF6、LiAsF6或LiClO4等有机溶液所组成。
下面以MnO2为正极材料，金属锂为负极，叙述金属锂电池的工作原理：(1)正极放电时，正极从外部电子线路获取电子，Mn4＋被还原为Mn3＋。
电极反应为：MnO2 + e- = MnO2(2)负极放电时电极反应为：Li - e- = Li+总反应：MnO2 + Li = LiMnO2[E = 3.5 V]由于金属锂电池电容量大、放电持续稳定、价格低廉而被广泛使用。
二、实验材料仪器1、实验材料：二氧化锰（MnO2）、KS6石墨、铜箔、铝箔、隔膜（Celgard2400）、锂片、电解液（LB-315，1M LiPF6溶于体积比EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）、扣式电池壳（CR2032）、纽扣电池座等。
2、实验仪器CorreTest CS350电化学工作站、电子分析天平、YP-24T压片机、XYM-Z（Ø13 mm）压片模具、JK-CMJ-02扣式电池冲模机（Ø19 mm）、手套箱+JK-YYFKJ-20纽扣电池液压封口机（附带高纯氮气气源）等。
三、实验流程与步骤(一)实验流程A搅拌→B压片→烘干→C切膜→D封装→F测试(二)实验流步骤1、正、负极的制备a、正极的制备按4: 1的质量比，分别称取2.40 g MnO2和0.60 g KS6导电剂碳黑混合均匀。
准确称量混合物0.7605 g，并转移到压片机模具中，在8.0 T/cm2(仪器指针刻度为10)压力下压片，制成正电极片。
把制备好的正电极片放置在120 ℃烘箱中烘1~2小时后待用。
b、负极、电解液、隔膜负极极片是厚度为1.50 mm直径为15 mm的锂金属片；电解液为LB-315（1M LiPF6溶于体积比EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）；隔膜为Celgard2400，将隔膜纸裁剪/冲模成直径为Φ19 mm的圆片。
实验八锂离子电池制备及性能测试实验指导书
实验一：锂离子电池制备及性能测试实验学时：6实验类型：综合实验要求：必修一*实验目的(1)了解锂离子二次电池的工作原理；(2)了解电解质溶液的导电机理和锂离子电池电极材料的合成方法；(3)掌握扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程；(4)掌握锂离子电池电性能测试方法。
二・实验内容扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程和扣式锂离子电池电化学性能测试。
三、实验原理、方法和手段液态锂离子二次电池通常采用层状复合氧化物为正极，人造石墨或者天然石墨为负极，充放电过程中通过锂离子的移动实现。
以商品化的液态电解质锂离子电池为例，如下图1」正极材料和负极材料分别为LiFePO4和石墨，以LiPF6・EC-DEC为电解液，其电池工作原理如下：锂离子电池实质上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。
正极材料是一种嵌锂式化合物，在外界电场作用下化合物中的Li从晶体中脱出和嵌入。
当电池充电时，Li+离子从正极嵌锂化合物中脱出，经过电解质溶液嵌入负极化合物晶格中，正极活，性物处于贫锂状态；电池放电时，Li+则从负极化合物中脱出，经过电解质溶液再嵌入正极化合物中，正极活f生物为富锂状态。
为保持电荷平衡，充放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递，与Li—起在正、负极之间来回迁移，使正、负极发生相应的氧化还原反应，保持一定的电位。
工作电位与构成正、负极的可嵌锂化合物的化学性质、Li+离子浓度等有矢。
在正常充放电过程中，负极材料的化学结构不变。
因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
锂离子电池在工作电位与构成电极的插入化合物的化学性质、Li+的浓度有尖。
CurrentElectron▼充电：L I F C PO A - xLi+・ M ・X F C PO A + (l-x)LiFePO4放电：F C PO A + xLi八 + M ・xLiFePO^ + (l-x)FePO4图1・1・锂离子电池工作原理＞ LiFePO4为正极‘石墨为负极.研究表明，Li+的脱嵌过程是一个两相反应，存在着LiFePCU和FePCU两相的转化，充电时，铁离子从FeOc层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生FJ+ TFJ+的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极。
新能源材料制备与表征实验
04
风能领域
应用于风力发电机叶片、轴承和齿轮 等关键部件，提高风能利用率和发电 效率。
新能源材料发展趋势
高性能化
提高新能源材料的能量 转换效率、储能密度和 使用寿命等性能指标。
绿色环保
发展可再生、可降解和 环保的新能源材料，减 少对环境的污染和破坏
。
多功能化
开发具有多种功能的新 能源材料，如同时具备 能量转换和储能功能的
透射电子显微镜观察
透射电子显微镜原理
利用高能电子束穿透样品，通 过电磁透镜成像，获取样品的
内部结构和成分信息。
透射电子显微镜构造
包括电子枪、电磁透镜、样品 台、探测器、真空系统和图像 处理系统等部分。
实验步骤
制备样品、安装样品、调整实 验参数、观察图像、分析处理 数据。
应用范围
适用于观察固体样品的内部结 构和缺陷，如纳米颗粒、晶体
新能源材料制备与 表征实验
汇报人：停云 2024-01-14
contents
目录
• 引言 • 新能源材料概述 • 新能源材料制备方法 • 新能源材料表征技术 • 实验过程与数据分析 • 实验注意事项及安全规范 • 总结与展望
01
引言
实验目的和意义
探究新能源材料的制备方法和工艺
通过实验，掌握新能源材料（如锂离子电池、太阳能电池等）的制备方法和工艺，了解其 制备过程中的关键步骤和影响因素。
利用生物体的天然结构作为模板，通过化学或物理方法在其表面沉积目标材料， 得到具有特定形貌和结构的纳米材料。此方法可用于制备具有复杂形貌和结构的 纳米材料。
生物矿化法
借鉴生物矿化过程，通过模拟生物体内的矿化环境，诱导无机物在有机基质上沉 积形成复合材料。此方法可用于制备具有优异力学性能和生物相容性的复合材料 。
锂离子电池正极材料硫化锂的制备与表征
锂离子电池正极材料硫化锂的制备与表征锂离子电池在当今的电子产品和机械设备中应用广泛，因为其高能量密度、低自放电率和轻便等特点。
而硫化锂作为一种重要的锂离子电池正极材料，其电化学性能和稳定性受到广泛关注。
本文将着重介绍硫化锂的制备和表征。
一、硫化锂的制备硫化锂制备的方法比较多，常见的方法包括高温固相法、溶胶-凝胶法、氢气还原法等。
以下将详细介绍高温固相法和溶胶-凝胶法。
1. 高温固相法高温固相法是制备硫化锂最常见的方法之一。
其主要原理是将硫粉末和锂粉末按一定的比例混合，放入高温炉中，在高温下反应生成硫化锂。
具体的反应方程式为Li+1/2S2→Li2S。
此方法的主要优点是制备工艺简单，且成本较低。
然而，其缺点也是显著的：反应后产生的硫化锂颗粒较大，具有不良的电化学性能和循环寿命短等缺陷。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法也是制备硫化锂的一种方法。
该方法的原理是将锂盐和硫化物悬浮在介质溶剂中，形成凝胶。
然后，将凝胶进行干燥、煅烧等步骤，制得硫化锂。
此方法的主要优点是能够制备颗粒大小均匀、电化学性能良好的硫化锂。
然而，工艺复杂，成本高昂。
二、硫化锂的表征硫化锂的表征是关键的步骤，可以帮助研究人员评估硫化锂的电化学性能和稳定性。
以下将介绍主要的表征方法。
1. X射线粉末衍射（XRD）XRD是一种常用的硫化锂表征方法。
该方法通过分析硫化锂的衍射光谱，可以得知硫化锂的结晶类型、纯度等信息。
此外，XRD还可以检测样品中的杂质和非晶相。
2. 扫描电镜（SEM）SEM可以通过对样品的表面进行扫描，得到样品的形貌和结构信息。
由于硫化锂的形态和结构对其电化学性能有重要影响，因此SEM成为了硫化锂表征的重要手段。
3. 比表面积测试（BET）BET是一种用于测定材料表面积的表征方法。
硫化锂的比表面积大小与其电化学性能密切相关。
越大的比表面积意味着越多的活性位点，从而使得硫化锂具有更好的电化学性能。
4. 循环伏安法（CV）CV是一种测试材料纯度和电化学特性的方法。
二氟草酸硼酸锂的电化学性能、制备和表征
1 二氟草酸硼酸锂的电化学性能
LiBF4 的 390 ℃ 和 LiBOB 的 330 ℃ 低，但比 LiPF6 高 约 40 ℃［5］。
二氟草酸硼酸锂可以使电极表面附近的 Al3+ 和 B－O 键结合形成化学键在集流体铝箔上形成一 层致密的保护膜，不仅能钝化铝箔，而且能够很好地 抑制电解 液 的 氧 化 分 解。 邓 凌 峰［6］ 研 究 了 电 解 液 对集流体的腐蚀性，发现 4． 2 V 开始首次对铝箔产 生腐蚀，第二次循环时，腐蚀电位出现在了 6． 0 V 以 后，说明对铝箔产生了很好的钝化作用。针对电解 液与正负极材料的相容性，研究了与电极材料石墨、 三元材料 LiCo1 /3 Ni1 /3 Mn1 /3 O2 组成电池的倍率性能 和高温循环性能，LiDFOB 基电池高温循环 100 次的 不可逆损失为 8% ，而 LiPF6 电池的不可逆损失为 15% 。付茂华［7］研究了电解液的高温性能，在 60 ℃ 高温下，使用 LiDFOB 电 解 液 的 电 池 其 LiFePO4 / G 电池 循 环 100 次，容 量 保 持 率 为 86． 7% ，而 使 用 LiPF6 电解液的电池其容量保持率为 67． 4% ，循环 后电池极片扫描图显示使用 LiPF6 电解液的极片粗 糙，而使用 LiDFOB 电解液的极片则平滑、致密，能 明显看到膜。LiDFOB 电解液的高温性能明显优于
锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备及性能研究
锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备及性能研究磷酸铁锂的制备可以通过化学法、物理法和电化学法等多种方法实现。
化学法包括溶胶-凝胶法、固相反应法和水热合成法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法，它通过溶剂热分解、固相燃烧或溶胶凝胶处理等步骤制备磷酸铁锂粉体。
物理法主要包括固相合成法和高温煅烧法，通过高温下锂盐和铁盐之间的反应制备磷酸铁锂。
电化学法则是利用电化学沉积等方法在电极表面沉积磷酸铁锂。
磷酸铁锂的性能与其晶体结构和形貌有关。
研究表明，具有纳米级晶粒大小的磷酸铁锂材料具有更好的循环稳定性和电化学性能。
因此，磷酸铁锂的制备研究中也要关注材料的晶体结构和形貌调控。
常用的方法包括控制反应条件、添加表面活性剂或模板剂、改变煅烧温度等。
磷酸铁锂的性能研究主要包括电化学性能和循环寿命测试。
电化学性能测试包括循环伏安法、恒流充放电测试和交流阻抗测试等。
通过这些测试可以了解磷酸铁锂材料的比容量、充放电效率、电化学活性、内阻等性能指标。
循环寿命测试主要通过反复充放电测试来评估材料的稳定性和持久性能。
此外，磷酸铁锂的改性也是提高其性能的重要途径。
例如，通过合成碳包覆磷酸铁锂（C-LiFePO4）可以提高其导电性、离子扩散速率和循环稳定性。
碳包覆磷酸铁锂的制备可以采用碳源共沉淀法、石墨烯覆盖法和碳纳米链法等。
总之，磷酸铁锂的制备及性能研究对于锂离子电池的进一步发展具有重要意义。
通过优化制备工艺、调控材料结构和形貌、改性等方法，可以提高磷酸铁锂材料的性能，进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性。
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LiCoO 2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LiCoO 2、LiNiO 2、LiMn 2O 4、LiFePO 4。
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 、SnO 2、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1.样品的制备及准备碳酸盐共沉淀法制备LiNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2：分别称取摩尔比为1：1：1的醋酸镍(Ni(CH 3COO)2·4H 2O)、醋酸钴 (Co(CH 3COO)2·4H 2O)、醋酸锰 (Mn(CH 3COO)2·4H 2O)，用去离子水溶解，溶液金属离子总浓度为1mol ·L -1。
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锂离子电池材料的制备和电化学性能表征（24学时）
一、实验目的
1．了解尖晶石化合物的组成和结构特点。
2．了解无机材料制备方法－共沉淀制备前驱体、高温固相煅烧制备的反应原理和反应过程中影响产物性质的一般因素。
3．了解嵌入－脱嵌反应和锂离子电池的工作原理。
4．了解电池性能的主要参数和测试的主要方法。
二、实验原理
由于具有电压高、容量高、无污染、安全性好、无记忆效应等优异性能，锂离子电池自1991年实现商品化以来，其种类、性能和应用领域都得到了巨大的发展，已经成为最重要的二次电池之一，在手机、笔记本电脑、摄像机、便携式DVD、电动汽车甚至核潜艇上都得到了广泛应用。
而锂离子电池的相关研究也成为当前化学电源研究的重要领域。
锂离子电池性能的优劣主要取决于电池的正极。
锰酸锂LiMn2O4是重要的锂离子电池正极活性材料之一，其结构见图1。
该结构为锂离子的迁移提供了三维通道。
图1 尖晶石晶体结构图
在充电过程中，锂离子从正极脱出，嵌入负极活性物质；而放电过程中，是锂离子的回嵌的过程，因此锂离子电池又称为“摇椅式”电池。
电池充放电时，正极活性材料中Li+的迁移过程可用下式表示。
充电时：LiMn2O4→ xLi+ + Li1-x Mn2O4 + xe-
放电时：Li1-x Mn2O4 + yLi++ ye-→ Li1-x+y Mn2O4(0≤x≤1，0≤y≤x)
LiMn2O4的制备方法很多，常用的有高温固相法、低温固相法和液相法等。
其中，低温固相法和液相法（溶胶-凝胶法）虽然反应温度低，但产物的电化学性能不能令人满意，且不适合工业化生产的需要。
所谓高温固相法，就是在高温下使锰源化合物与锂源化合物反应生成LiMn2O4。
由于LiMn2O4在高温下容量衰减较快，需通过钴离子掺杂进行改性制备LiMn1.85Co0.15O4. 对固相反应而言，原料的分散状态(粒度)、孔隙度、装填密度、反应物的接触面积等对固-固反应速度有很大的影响。
必须将反应物粉碎并混合均匀以使原子或离子的扩散比较容易进行。
就本实验所制LiMn1.85Co0.15O4，采用共沉淀制备锰钴碳酸盐前驱体以达到离子程度的均匀混合，然后混锂后再进行高温煅烧制备出目标化合物。
三、仪器和试剂
1．仪器
X射线衍射仪，充放电测试仪，箱式电阻炉(马弗炉，Mufflefurnace)，磁力搅拌器，陶瓷坩埚, 电子分析天平，恒温鼓风干燥箱，研钵，压力机，手套箱。
2．试剂
2 mol·L-1硝酸锰钴（Mn/Co=1.85:0.15）溶液，碳酸钠，碳酸锂，金属锂片，Celgard 2400隔膜，PVDF粘合剂（13%），导电炭黑，石墨，电解液（1.15mol·L-1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)－碳酸二甲酯(DMC)－碳酸二乙酯混合溶液(质量比：EC:DMC:DEC=3:1:1)，电池壳。
所有试剂均为分析纯。
四、实验步骤
1．Mn0.925Co0.075CO3的制备
取2mol·L-1的硝酸锰钴溶液40mL(约0.08mol), 至于烧杯中。
称取8.9g碳酸钠（MW105.99）(0.084mol)至于另一烧杯中，然后加去离子水约80mL，摇动至完全溶解。
将搅拌磁子至于硝酸锰钴溶液中，然后置于电磁搅拌器上进行搅拌，并开动加热，待温度升至约50℃，用滴管将碳酸钠溶液缓慢加入到硝酸锰钴溶液中（约半小时加完），控制溶液最终pH值约7.5~8，持续搅拌1h，将沉淀抽滤并用蒸馏水洗涤5~6次，而后置于恒温鼓风干燥箱中于110℃烘干。
2．锂锰钴复合氧化物LiMn1.85Co0.15O4的制备
将干燥的Mn0.925Co0.075CO3（MW 115.24）与摩尔比1:0.27的碳酸锂（MW 73.89）在研钵中研磨混匀（约需45～60min），转入陶瓷坩埚中，压实，开口放置在马弗炉中，于600℃下反应4h，然后升温至850℃反应12h，自然冷却到室温。
3．结构表征
将反应产物从马弗炉中取出，用研钵研细，装袋，标明合成人和合成条件，然后进行XRD表征。
4．电极的制备
将LiMn2O4粉末、石墨、乙炔黑以及作为粘合剂的PVDF(13%)按质量分数比86：2：6：6的比例混合均匀，加入适量的溶剂Ｎ-甲基吡咯烷酮（NMP）后，
在研钵中研磨成凝胶状物；将此凝胶状物均匀涂布在铝箔上，放入110℃的鼓风干燥箱中干燥2h ；从铝箔上剪取三块大小相似的正方形活性物，用压片机10MPa 压片，称重，计算正极活性物的质量，然后放入真空手套箱中，2h 后进行电池的组装。
5．电池的装配
电池装配在手套箱中进行。
在电池壳中按照垫片、正极、 Celgard2400 隔膜、负极的顺序进行组装，而后加入适量的电解质溶液，加上正极帽，而后在模具上密封。
每组装配3只电池，参见图2。
图2 扣式电池结构示意图
6．电池性能测试
将密封好的电池放置半小时，而后分别接到充放电测试仪上，设定好充放电电流和充放电截止电压3.3~4.3V ），而后开始运行。
至少进行3次循环，大约要2天。
仪器会自动记录充放电曲线，参见图3。
图3 LiMn 1.85Co 0.15O 4的充放电曲线
五、结果处理和实验报告
本实验的数据主要包括以下几个：
1．XRD 衍射图。
在10o 2θ<70o 围内扫描，确定产物物相（参见图4
）；计算
电压/V （v s .L i /L i
+）容量/mAh.g -1
晶胞参数。
2．充放电曲线。
打印充放电曲线并分析电池性能：1）初充电容量；2）第一次放电容量；3）充放电效率（放电电量与充电电量之比）；4）电池容量保持率（第3次放电容量和第一次放电容量的比值）。
六、思考题
1．为什么称取锂锰原料时锂盐要稍微过量？
2．影响固-固反应速度的因素有哪些？
3．为什么制备锰酸锂时要将坩埚开口进行加热？
图4 尖晶石LiMn 1.85Co 0.15O 4的XRD 图
102030405060
70531
440
333331400
222311111
I n t e n s i t y 2θ/(o )。