锂离子电池开题报告[1]
锂离子电池的开题报告
锂离子电池的开题报告锂离子电池的开题报告1. 引言锂离子电池是一种重要的电化学能量储存装置，广泛应用于移动电子设备、电动汽车和可再生能源等领域。
本报告旨在探讨锂离子电池的原理、性能以及未来发展方向。
2. 锂离子电池的原理锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。
正极材料通常使用锂化合物，如锂铁磷酸盐（LiFePO4）或锰酸锂（LiMn2O4）。
负极材料则是石墨，锂离子在充放电过程中在正负极之间迁移，通过电解质和隔膜的导电性，完成电荷的传递。
3. 锂离子电池的性能锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率的优点。
其高能量密度使其成为移动电子设备的理想选择，而长循环寿命则使其在电动汽车领域具备广阔的应用前景。
此外，锂离子电池的低自放电率也使其能够长时间储存电能。
4. 锂离子电池的挑战锂离子电池在实际应用中仍然存在一些挑战。
首先，正极材料的容量和循环寿命仍然有待提高。
其次，负极材料的容量也是限制电池性能的因素之一。
此外，电解质和隔膜的稳定性和导电性也需要进一步改进。
5. 锂离子电池的未来发展方向为了克服上述挑战，研究人员正在不断探索新的材料和技术。
一种可能的发展方向是采用新型正负极材料，如硅基负极材料和锂硫电池。
这些材料具有更高的容量和能量密度，但也面临着循环寿命和稳定性的问题。
另一个发展方向是改进电解质和隔膜的性能，以提高电池的安全性和导电性。
6. 结论锂离子电池作为一种重要的能量储存装置，已经在许多领域得到广泛应用。
然而，仍然存在一些挑战需要克服。
通过不断的研究和创新，相信锂离子电池将会在未来取得更大的突破，为人类的生活和工业发展带来更多便利和可持续性。
锂离子电池开题报告
锂离子电池开题报告锂离子电池开题报告一、引言锂离子电池是一种重要的电池类型，广泛应用于移动电子设备、电动车辆等领域。
本文旨在探讨锂离子电池的原理、优势与挑战，并提出进一步研究的目标和意义。
二、锂离子电池原理锂离子电池是一种通过锂离子在正负极之间的迁移来实现电荷转移的电池。
其基本原理是在充电过程中，锂离子从正极材料中脱嵌并迁移到负极材料中，而在放电过程中则相反。
这种离子迁移产生了电流，实现了电能的转换和储存。
三、锂离子电池的优势1. 高能量密度：相比其他电池类型，锂离子电池具有更高的能量密度，能够提供更长的使用时间和更高的功率输出。
2. 长循环寿命：锂离子电池具有较长的循环寿命，可充放电次数多达数千次，相对于镍氢电池等其他电池类型，更加耐用。
3. 无记忆效应：锂离子电池没有记忆效应，即不需要完全放电后再充电，可以随时进行充电，方便使用。
4. 环保可持续：锂离子电池相比传统的铅酸电池等，更环保可持续，没有有害物质的排放。
四、锂离子电池的挑战1. 安全性问题：锂离子电池在过充、过放、高温等情况下可能会发生热失控，导致爆炸或火灾。
因此，提高锂离子电池的安全性是当前研究的重点之一。
2. 能量密度限制：虽然锂离子电池的能量密度已经相对较高，但仍存在进一步提高的空间。
提高能量密度可以延长电池的续航时间，提升电动车辆等设备的性能。
3. 资源限制：锂离子电池的生产需要大量的锂资源，而锂资源的储量有限。
因此，如何合理利用和回收锂资源，成为了研究的重要方向。
五、研究目标和意义1. 提高锂离子电池的安全性：通过改进电池结构、添加防护层等手段，提高锂离子电池的安全性，减少事故发生的概率。
2. 提高锂离子电池的能量密度：通过研究新型正负极材料、电解液等，提高锂离子电池的能量密度，满足不断增长的电能需求。
3. 研究锂资源的合理利用和回收：通过开展锂资源的回收和再利用研究，减少对有限资源的依赖，实现锂离子电池的可持续发展。
六、结论锂离子电池作为一种重要的电池类型，具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和环保可持续等优势。
高功率锂离子电池电化学性能和安全性能的研究的开题报告
高功率锂离子电池电化学性能和安全性能的研究的开题报
告
题目：高功率锂离子电池电化学性能和安全性能的研究
一、研究背景
随着科技的不断发展，空间技术、电动汽车、储能系统等行业对高功率锂离子电池的需求不断增加，因此对其电化学性能和安全性能进行深入的研究是非常有必要的。
二、研究目的
本研究旨在探究高功率锂离子电池的电化学性能和安全性能，为其在实际应用中提供可靠的技术基础和安全保障。
三、研究内容
1.高功率锂离子电池的基本原理和结构分析；
2.高功率锂离子电池的电化学性能研究，包括电池的电压、容量、循环寿命等方面的分析；
3.高功率锂离子电池的安全性能研究，包括过充、过放、高温、短路等情况下的安全性能测试和分析；
4.高功率锂离子电池的优化设计与性能提升；
5.高功率锂离子电池的实际应用研究。
四、主要研究方法
本研究将采用以下研究方法：
1.文献调研法：收集相关领域的文献，综合分析和评估目前高功率锂离子电池的研究现状和发展趋势。
2.实验研究法：通过充放电循环测试、安全性能测试、电化学分析等方法，全面评估高功率锂离子电池的电化学性能和安全性能，并探究其优化设计与性能提升的策略。
3.理论分析法：通过理论模型构建和仿真，从理论上分析和预测高功率锂离子电池的性能和安全性能，为实验研究和优化设计提供依据。
五、预期研究成果
1.掌握高功率锂离子电池的电化学性能和安全性能测试方法和技巧，能够对其性能进行全面评估和分析。
2.深入理解高功率锂离子电池的电化学反应机理和性能优化机制，提出针对性的优化设计策略。
3.在高功率锂离子电池领域取得一定的研究成果，为该领域的技术发展和产业创新做出贡献。
锂离子动力电池测试系统的设计与应用的开题报告
锂离子动力电池测试系统的设计与应用的开题报告
本文将介绍一个关于锂离子动力电池测试系统的设计与应用的开题报告，主要分为以下几个部分：
1. 研究背景及意义
锂离子电池是目前广泛应用于移动电源设备、电动汽车等领域中的一种高能量、高电压、高功率密度的新型电池。
尽管锂离子电池在技术上已经得到了长足发展，但其性能方面的提高还有很多待办事项，其中电池的长寿命、高安全性、高能量密度、高稳定性等方面的提升亟待解决。
因此，设计一台高精度的锂离子动力电池测试系统是解决这些问题的重要一步。
2. 研究内容及方法
本研究将设计一套基于LabVIEW平台的锂离子动力电池测试系统，实现对锂离子电池电压、电流、温度、容量等性能参数的全方位测试与监控。
在具体实施上，首先需要建立测试系统的硬件平台，包括微处理器、模数转换器、电路板等。
其次，需要设计测试系统的软件界面，实现数据采集、实时显示、控制设备、计算数据等功能。
最后，通过实验验证测试系统的性能指标，包括测试精度、响应时间、稳定性等。
3. 研究预期成果及意义
本研究的预期成果是设计出一套能够提高锂离子电池性能指标的动力电池测试系统，在电池实验研究中提供有效的测试手段和数据支持。
同时，该系统具有操作简便、高响应速度、高精度、高可靠性等优点，可以应用于电池质量检验、电池生产监测等方面，对提高电池性能、加快电池研发进程具有重要的实际意义。
总之，本研究的目标是设计出一套能够满足电池研究需求并促进电池产业发展的高精度、高可靠性的锂离子动力电池测试系统，为今后电池产业的研发与应用做出贡献。
我国锂离子电池产业技术创新问题研究的开题报告
我国锂离子电池产业技术创新问题研究的开题报告一、选题背景锂离子电池是一种电化学器件，具有高能量密度、长寿命、环保等优点，在现代电子设备、汽车、储能等领域得到广泛应用。
近年来，随着新能源汽车市场的快速发展，锂离子电池产业也呈现出高速增长的态势。
截至2019年底，我国锂电池装机量已达到68.9GWh，位居全球首位。
但与此同时，我国锂离子电池产业也面临着技术创新不足、核心技术受限等问题，制约着整个产业的发展。
二、研究意义锂离子电池技术发展速度快、变化多，需要不断的技术创新推动行业发展。
本研究旨在分析我国锂离子电池产业技术创新问题，挖掘制约其发展的根本原因，并提出相应的解决方案，为我国锂离子电池产业的长期发展提供有力的支撑。
三、研究内容和研究方法本研究拟对我国锂离子电池产业技术创新问题展开详细研究，主要包括以下研究内容：1.探讨我国锂离子电池产业技术创新存在的主要问题，分析其原因和影响因素；2.分析国内外锂离子电池产业对比，找出我国锂离子电池产业技术创新不足的原因与不足之处；3.深入研究我国锂离子电池产业的技术创新现状，发掘其技术创新方面的优势与不足；4.基于SWOT分析法，结合我国锂离子电池产业的发展现状，提出可行的技术创新解决方案；5.采用实证研究方法，分析所提方案的可行性及其在现实中的实施效果。
四、预期成果通过本研究，预期取得以下成果：1.全面掌握我国锂离子电池产业的技术创新现状及存在的问题；2.找出我国锂离子电池产业技术创新滞后的原因和不足之处；3.提出针对我国锂离子电池产业技术创新问题的可行解决方案，实现我国锂离子电池产业可持续发展；4.为相关政策制定提供技术支撑和参考。
五、工作计划本研究计划用时12个月，工作计划如下：第1-2个月：文献调研和问题综述第3-4个月：场调查及数据采集第5个月：问题分析和问题阐述第6-8个月：解决方案的构建与实施分析第9个月：对解决方案效果的量化分析与评估第10-11个月：研究报告撰写第12个月：答辩和研究成果总结六、参考文献1. 张三, 李四. 电池科学与技术 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2011.2. 王五, 刘六. 锂离子电池产业发展研究 [J]. 电子竞技, 2017, (5): 38-44.3. Gao M, Qiao M, Zhao T, et al. A review of recent progress in rechargeable lithium sulfur batteries [J]. Journal of Power Sources, 2019, 422: 41-67.4. 冯七, 王八. 我国锂离子电池产业技术创新研究 [J]. 科技论坛, 2016, (12): 108-114.5. 刘九, 阮十. 锂离子电池技术创新的发展趋势 [J]. 新技术新产品, 2018, (3): 87-94.。
锂离子电池材料的制备、表征及其电化学性能研究的开题报告
锂离子电池材料的制备、表征及其电化学性能研究
的开题报告
一、选题背景
随着移动互联网、新能源汽车等领域的迅猛发展，锂离子电池作为重要的电源之一，受到越来越广泛的关注。
目前市场上常用的锂离子电池主要采用的是钴酸锂作为正极材料，但其成本高、资源有限、安全性差等问题已经引起人们的重视。
因此，研究开发新型的锂离子电池材料成为了当前的研究热点。
其中，锂离子电池正极材料是锂离子电池的核心组成部分，其性能直接影响着锂离子电池的容量、循环寿命和安全性能。
二、选题目的
本课题旨在研究新型的锂离子电池正极材料，并对其制备、表征及其电化学性能进行深入研究，为新型锂离子电池的研究和开发提供理论和实验依据。
三、选题内容和研究方法
本课题主要内容包括：
1.新型锂离子电池正极材料的筛选和制备。
在已有的文献研究基础上，选择合适的材料作为研究对象，采用不同的方法制备正材料。
2.电化学性能测试和表征。
利用循环伏安、恒流充放电等方法对材料的电化学性能进行测试，并结合扫描电镜、X射线衍射、光电子能谱等表征手段对材料进行化学成分、晶体结构和表面形貌等方面的分析。
3.材料性能与结构性能的关联分析。
通过对电化学性能和材料表征结果的比较，探究材料性能与结构性能之间的关联，为材料性能的优化提供理论指导。
本课题所采用的研究方法主要包括化学制备、电化学性能测试和表征、物理表征等。
四、预期成果和意义
通过本课题的研究，预计能够筛选出具有优良电化学性能的锂离子电池正极材料，并对其制备、表征及其电化学性能进行深入研究。
这将为新型锂离子电池的研究和开发提供理论和实验依据，为社会经济可持续发展做出贡献。
一种高精度高效锂离子电池充放电系统设计的开题报告
一种高精度高效锂离子电池充放电系统设计的开题报告1. 研究背景及意义随着现代科技的不断发展，锂离子电池已经成为了电动车、手机、电脑、相机等众多电子设备的主要能源来源。
但是，由于锂离子电池具有较高的能量密度和较小的体积，使其充电和放电过程中，出现了过充、过放、内阻增加等问题，降低了电池的安全性和寿命。
因此，设计一种高精度高效的锂离子电池充放电系统，对于提高锂离子电池的安全性和使用寿命、保证设备的可靠性具有重要的意义。
2. 研究内容及目标本文旨在研究锂离子电池充放电系统的设计、优化和控制方法，以实现高精度和高效的充放电过程。
主要研究内容包括：1) 锂离子电池充电和放电特性及其电化学基础的研究。
2) 锂离子电池充放电系统的设计、优化和控制方法研究。
3) 采用先进的控制算法，完成对充放电系统的精确控制，提高电池的充放电效率和安全性。
4) 设计并搭建高精度高效锂离子电池充放电系统原型，并对其进行实验验证，以检验系统的可行性和实用性。
3. 研究方法及技术路线1) 研究锂离子电池的物理、电化学特性及其充放电过程的基本规律，确定系统的设计参数，评估锂离子电池充放电系统的性能需求。
2) 设计高精度高效锂离子电池充放电系统的硬件电路和软件控制系统，采用先进的控制算法，完成对充放电系统的精确控制。
3) 制作高精度高效锂离子电池充放电系统原型，并进行系统功能测试和性能验证。
4) 对实验结果进行分析和总结，评估系统的性能和可行性，并提出改进方案和未来的研究方向。
4. 预期结果及意义本文所设计的高精度高效锂离子电池充放电系统，可提高锂离子电池的充放电效率和安全性，提高电池的使用寿命和可靠性，具有广泛的应用前景。
同时，本研究也对于锂离子电池充放电系统的研究，提供了新的思路和方法，对于该领域的研究和发展具有积极的推动作用。
锂电池开题报告
锂电池开题报告锂电池开题报告一、引言随着科技的不断进步，人们对于电力的需求也越来越大。
而锂电池作为一种高效、环保的能源储存装置，正逐渐成为各个领域的首选。
本文将对锂电池的原理、应用以及未来发展进行探讨。
二、锂电池的原理锂电池是一种以锂离子在正负极之间的迁移来储存和释放电能的装置。
其原理主要包括锂离子在电池中的嵌入和脱嵌过程。
在充电时，锂离子从正极材料（如LiCoO2）中脱嵌出来，通过电解质传导至负极材料（如石墨）中嵌入。
而在放电时，锂离子则从负极材料中脱嵌出来，通过电解质传导至正极材料中嵌入，从而释放出电能。
三、锂电池的应用1. 电动汽车随着环保意识的提高，电动汽车逐渐成为人们的首选。
而锂电池作为电动汽车的主要能源储存装置，具有能量密度高、重量轻、充电速度快等优势，被广泛应用于电动汽车领域。
目前，锂电池在电动汽车市场上的份额不断增加，成为推动电动汽车发展的重要因素之一。
2. 便携式电子设备锂电池的高能量密度使其成为便携式电子设备（如手机、平板电脑等）的理想能源储存装置。
相比于传统的镍镉电池，锂电池具有更长的使用寿命和更好的性能稳定性，能够满足人们对于高效、便携电子设备的需求。
3. 储能系统随着可再生能源的快速发展，储能系统的需求也越来越大。
而锂电池由于其高能量密度和长寿命的特点，成为储能系统的重要组成部分。
通过将可再生能源（如太阳能、风能等）转化为电能，并储存在锂电池中，可以实现能源的高效利用和储存。
四、锂电池的未来发展1. 提高能量密度目前，锂电池的能量密度已经相当高，但仍有提升空间。
未来的发展方向之一是提高锂电池的能量密度，以满足更高能量需求的应用场景。
通过改进电池材料和结构设计，提高锂电池的能量密度，可以延长电池的使用时间，提高电池的性能。
2. 加强安全性能锂电池的安全性一直是人们关注的焦点。
由于锂电池中的电解质具有较高的挥发性和易燃性，一旦发生短路或过热等情况，可能引发火灾或爆炸。
因此，未来的发展方向之一是加强锂电池的安全性能，研发更安全可靠的锂电池技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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]三、研究步骤、方法及措施1.电池正极片的制备[15]（1）制浆用专用的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正极活性物质按一定比例混合经过研磨并搅拌均匀后，制成浆状的正极物质。
（2）涂膜将制成的浆料均匀的涂覆于金属铝表面，烘干，制成正极片。
（3）分切制成的电极片按照模具进行裁剪。
2.电池组装按照正极片、隔膜、负极片的顺序放好，注入电解液，进行封口等工艺操作，制成电池。
3.电池性能测试用LAND电池测试系统测试电池的循环性能。
四、研究工作进度1-4 周翻译文献，查阅文献，撰写文献综述，设计实验方案，写开题报告。
5-8 周进行实验操作，探索制备电池正极材料工艺和组装电池方案。
9-12周分析问题，优化制备工艺，改善实验操作，组装电池并对其进行性能检测。
13-16周优化工艺参数。
17-18周撰写并修改报告。
锂离子电池纳米材料研究摘要:纳米负极材料(如Sb ,SnSb ,CuSn 及Si) ,纳米正极材料(如CuS) 合成,电化学性质,以及纳米材料的晶体结构与形貌在充放电过程中的变化等研究. 此外具有纳米尺度阴离子的锂盐在聚合物电解质中的增塑作用以及纳米硅Raman 光谱和光致发光谱受电化学锂掺杂的影响. 最后对纳米材料的本征性质与其电化学性质的关系进行了讨论。
.最近10 年,在高能电池领域中锂离子电池已取得了巨大成功. 但消费者仍然期望性能更高的电池面世,而这取决于对新的电极材料和电解质体系的研究和开发. 纳米材料具有比表面积大,离子扩散路径短,蠕动性强和塑性高等特点,在锂离子电池中的应用已逐渐引起关注. 我们实验室最近在负极材料,正极材料和聚合物电解质纳米增塑方面开展了一些工作,现简述如下.1 纳米负极材料和锂离子电池中的碳材料相比,合金类负极材料一般具有较高的比容量,典型的如Si ,Ge ,Sn ,Pb ,Al ,Ga ,Sb , In ,Cd , Zn[1～6 ] . 其中金属锡的理论比容量为990 mAh/ g ,硅为4 200mAh/ g ,远高于碳的372 mAh/ g. 但锂反复的嵌入脱出导致合金类电极在充放电过程中体积变化较大,逐渐粉化失效,因而循环性较差[7 ] . 解决这一问题的办法目前主要有两种:一是采用氧化物作为前驱体[8～15 ] ,在充放电过程中氧化物首先发生还原分解反应,形成了纳米尺度的活性金属,并高度分散在无定形Li2O 介质中,从而抑制了体积变化,有效地提高了循环性. 但是采用氧化物作为电极材料,会由于还原分解反应而带来的不可逆容量损失较大.另一种办法是采用超细合金及活性/ 非活性复合合金体系. 超细合金每个颗粒在充放电过程中的绝对体积变化较小,非活性材料起到分散,缓冲介质的作用. 理论上应具有好的循环性和较小的容量损失. 已经报导的包括SnSbx ,SnAgx[7 ,17 ] , FeSnx/ FeSnC[18 ,19 ] , CuSnx[20 ] ,C/ Si[21 ] ,nano- Si[22 ]等.至今, 用于制备锂电池超细合金材料的主要方法有高能球磨[18 ,19 , 21 ] ,电化学沉积[7 ] ,水溶液体系共还原法[17 ] .下面简介我们实验室在纳米负极材料方面的工作.1. 1 纳米负极材料的合成在有机溶剂体系中利用共还原沉淀制备合金的方法,简称为溶剂热方法,已经用于合成纳米尺寸的Co-Ni 合金,Cu-Ni 合金及Ⅲ-V 族化合物等材料[23 ] . 我们借鉴了这种方法,在低温制备了纳米尺度的具有枝晶结构的纯相Sb 单质,SnSb 和CuxSn 合金及其复合体系.具体步骤为: 将SbCl3 和SnCl2 ·H2O按5∶4 的摩尔比混合后溶于乙二醇中形成0. 5 mol/ L 的溶液. 然后将Zn 粉按95 %的计量比在超声搅拌下缓慢加入溶液中. 反应温度控制在0. 0～1. 0 ℃. 最后,黑色的沉淀用乙醇清洗,过滤,真空干燥后即得到SnSb 合金样品. 用同样的方法,以SbCl3 为原料,制得单质Sb , 以CuCl2 ,SnCl2·2H2O为原料制得CuSnx 合金. 上述步骤及条件的选择是在对溶剂体系(乙醇,丙三醇) , 温度(室温,130 ℃) 和搅拌方式等对比研究基础上优化的结果.SnSb 合金,CuSnx 合金的X-射线衍射谱图,衍射峰明显宽化. 根据Scherrer 公式计算,三种样品的晶粒尺寸分别为20 nm ,25nm 和11 nm. 其中SnSb 合金为纯相的β- SnSb 结构(JCPDS ,33-0118) ,CuSnx 的相结构与已知的合金相不符. 这些合金具有明显的枝晶结构.2 为在丙三醇体系中合成制备的SnSb 合金的显微照片. 较低倍数下可以看到大多数颗粒具有松树叶状的外观. 在高倍照片中可以看到,主轴由尺寸不到60 nm 的三角形结相连而成,侧枝上具有和主轴类似的结构,这是一种典型的分形结构.研究发现,溶剂种类对上述合金的形貌和颗粒尺寸有显著的影响[24 ] . 相同条件下, 在丙三醇中制备的合金其枝晶结构最完善,颗粒主轴及侧枝叶片的尺寸最小. 这可能是由于低温下丙三醇溶液具有较高的粘度,因而溶液中局部的不均匀性最显著,促进枝晶结构的形成. 除此之外,温度对合金的晶粒尺寸的影响较大[24 ] .利用我们提出的这种低温液相合成技术制备的合金颗粒尺寸小,方法简单易行容易制备复合材料. 在制备SnSb 合金的溶液中预混了中间相碳小球MCMB ,得到了纳米合金修饰表面的样品,合金颗粒尺寸为30～90 nm ,并且枝晶结构基本消失,采用激光诱导气相沉积技术合成的纳米硅(80 nm) [25 ]和激光烧蚀法合成的纳米硅线(直径15 nm , 长1～100μm) [26 ] , 分别制备了纳米硅粉及纳米硅线复合负极.1. 2 纳米负极材料的电化学行为2300 为隔膜,金属锂为对电极组成两电极模拟电池. 工作电极(SnSb) 中nano- SnSb ,碳黑,PVDF 的重量百分比为80∶15∶5. 电池的组装及电极的制备与前文同[14 , 22 ] . 图5 为nano- SnSb 模拟电池在恒电流模式下的充放电曲线. 第一周的放电曲线明显分为三个反应区域. 1. 3 V 到0. 8 V 之间有一斜坡,往后的循环中不再出现. 根据我们对Sb2O3 和SnO ,SnO2 的研究结果[14 ] ,这一电化学反应区域应为nano- SnSb 合金表面氧化物的分解反应. 第二区域为0. 8 V 的放电平台,于充电曲线1. 1 V 处可以看到相应的平台, 这是典型的Li- Sb 合金的反应[14 ] . 第三区域为0. 7～0. 0 V 的斜坡. 在充电过程中可以看到相应的部分,应归结为Li- Sn 的多步合金反应[13 ,14 ] . 与Besenhard 报道的SnSbx 相比, nano- SnSb 合金作为锂离子电池负极活性材料的电化学充放电曲线充放电曲线更加平滑[7 , 17 ] ,显示了纳米材料的特征.nano- SnSb 的循环性明显优于单质Sn 及nano- Sb[13 , 27 ] . 可能是嵌锂之后形成的Li3Sb和LixSn 在纳米尺度上均匀分散,抑制了较大的体积变化,因而减轻了粉化. 这需要进一步的证实.nano- SnSb 在第一周的充放电效率达到了80 % , 图5 示出约15 %左右的容量损失来自于表面氧化物的分解. 这是由于纳米合金非常活泼,能在空气中燃烧,必须置于惰性气氛或真空中保存. 但在电极制备过程中其表面难免被氧化. 因此造成不可逆容量损失. 今后需对其表面进行化学修饰,避免氧化层带来的不可逆容量损失. 一旦充放电效率进一步提高,这种纳米合金有望替代碳负极材料.(2) 纳米硅粉( SiNPs) 及纳米硅线( SiN2Ws) 的电化学行为图6 为纳米硅粉复合负极组成的锂电池的充放电曲线. 复合负极中nano- Si , 碳黑, PVDF 的重量百分比为40∶40∶20. 充放电的电流密度为0. 1 mA/ cm2 . 电池的组装与前述相同. 可以看出, 其放电电压平台在0. 4～0. 0 V 之间,充电电压平台在0. 3～0. 6 V 之间,为硅的充放电曲线特征[22 ] . 其工作电压比较平稳,十分适合电池的要求[22 ] . 和普通硅(50μm) 相比,其充放电曲线更加平滑. 更为突出的是, 第一周·134 ·2000 年的放电容量达到2 900 mAh/ g ,第十周的可逆容量仍保持在1 700 mAh/ g ,是碳材料的5 倍,循环性远远优于普通硅[22 ] . 将充放电电流密度增大8 倍后,循环性基本不受影响,表明这种纳米复合电极的优异的动力学性质[22 ] .锂离子电池nano- Si 复合负极的电化学充放电曲线还可以看出,尽管第一周的充放电效率达到了75 % ,但不可逆容量损失的绝对值超过了600 mAh/ g ,这在实际锂离子电池中会大大降低电池的能量密度. 观察发现,与碳材料和氧化物负极的充放电曲线相比,1. 2～0. 6V 的不可逆放电平台并不明显. 非现场的红外光谱也未出现Li2CO3 和ROCO2Li 的特征峰[27 ] . 显然,容量损失的主要原因并非类似于碳表面的电解质还原分解反应或氧化物的分解反应,而是发生在较低的电位反应区域. 我们推测,纳米材料表面具有大量悬键. 而且锂离子的嵌入也会造成结构缺陷. 这些悬键或缺陷位将锂离子捕获后,在一般的恒流充电下不容易脱出,滞留在纳米材料中, 因此造成较大的容量损失. 这一问题还将在1. 4 节中讨论.类似于nano- SnSb 和SiNPs , nano- Sb ,nano-CuSnx 和SiNWs 的充放电曲线也表现了纳米材料的性质, 但循环特性不如前两者,在此不作进一步介绍.1. 3 纳米负极材料在充放电过程中的团聚较大尺寸的合金负极材料在充放电循环中存在粉化失效的问题. 与此相反,我们发现纳米材料容易发生团聚. 图7 为未添加弥散剂的nano- SnSb 电极放电至0 V 后的SEM 照片. 对比图2 ,初始的枝晶结构已被破坏,形成了较大的聚集体. 团聚的原因可能是大量锂离子嵌入后,引起晶格膨胀,使相邻的纳米颗粒增加了接触的几率. 由于Sn ,Sb ,Li 的重新占位,颗粒表面的原子相互成键而使近邻的纳米颗粒逐渐融合. 由于纳米材料具有较大的表面能, 融合则有利于降低表面能. 研究还发现,充电后这些团聚体并未分离. 显然,锂离子的脱出不足以使已经成键的原子分离,反而会促进与之相连的原子成键. 在多次循环之后,团聚体的尺寸可以达到几十微米[28 ] . 上述纳米颗粒在充放电过程中的融合现象也出现在所研究的nano- Sb ,SiNPs 和SiNWs 负极材料中[28 ] .纳米活性材料在充放电过程中团聚之后,离子的扩散路径变长,内部颗粒有可能失去电接触,在动力学,循环特性上的优势将大大减弱. 为了解决这一问题,我们在制备电极时加入一定量的碳黑作为弥散剂. 既能增加导电性,又可部分抑制纳米颗粒的团聚. 而且即使纳米颗粒团聚之后,团聚体内的颗粒仍可保持较好的电接触. 在图5 和图6 的电极中,已分别添加了15 %和40 %重量百分比的碳黑. 相对于未加弥散剂的样品,其循环特性大大提高[22 , 24 ] . 然而,锂离子电池纳米材料研究nano- SnSb 电极在放电至0 V(锂嵌入) 后的形貌研究发现,即使碳黑的量加大到40 %也不能完全抑制纳米活性颗粒在充放电之后的团聚[28 ] .这可能是反复循环造成容量逐渐衰减的重要原因. 而进一步增加碳黑的比例将大大降低电极的比容量,特别是体积比容量. 因而单纯添加弥散剂不能从根本上解决这一问题. 可能的改进办法包括在每个纳米颗粒表面修饰一层结构稳定的活性或非活性物质,或将纳米合金分散在碳颗料表面,如图3 所示. 这有待于今后的深入研究.1. 4 纳米负极材料晶体结构在充放电过程中的变化研究电极材料晶体结构在充放电过程中的变化,将有助于对其充放电机理及电化学性质的了解. 单质Sb 的反应较为简单,非现场的X-射线衍射结果表明在放电态形成Li3Sb 相,并于充电态恢复到Sb 的晶体结构[27 ] . β- SnSb 中Sn ,Sb 均为活性元素, 其反应机理较为复杂. 利用我们合成的纯相β- SnSb , 用非现场的X-射线衍射确定其反应机理为[24 ] :β- SnSb 具有菱方相结构,Sn 和Sb 原子沿c 轴方向交替排列. 随锂的嵌入由单相转变为Li3Sb 与Li- Sn 合金多相共存,而随锂的脱出又重新恢复到β- SnSb 单相,经循环二十次之后这种相转变仍然是可逆的. 其不寻常之处是在室温下二元合金由单相分离为多相,分离相还可恢复到单相. 反映了β- SnSb 结构的稳定性、Sn、Sb 原子之间较强的原子亲和力和协同作用、Li ,Sn ,Sb 原子在室温下的快速扩散能力以及Li 离子在脱出时对分离的Sn、Sb 原子恢复到初始结构的促进作用. 精细的结构变进一步的研究.硅作为锂电池的负极材料,其电化学合金化反应在高温下经历了多相转变,可以分别形成Li12Si7 、Li7Si3 、Li13 Si4 、Li22 Si5 四个相,充放电曲线上出现多个电压平台[29 ,30 ] . 但我们的研究发现, 在室温下其充放电曲线并未看到多个平台,如图6 所示. 这说明其晶体结构的变化与高温反应不同. 结合原位Raman ,HRTEM ,SAED 和ELLS 等手段,将SiNPs , SiNWs , c- Si , p- Si电极放电或充电到不同的电压后研究发现,硅的晶体结构在充放电过程中变化如下所述, 实验方法见文献[31 , 32 ] .随着锂离子的不断嵌入,硅的晶体结构从表及里逐渐破坏,无定形区域逐渐增加, 结晶区域逐渐收缩,当大量锂离子嵌入后,最终全部形成亚稳态的无定形Li- Si 合金. 随着锂的脱出,硅的有序结构逐渐恢复,结晶区域逐渐扩大,但初始的晶体结构无法全部恢复,其颗粒内部仍存在少量无定形区域(充电至2. 0 V/ vs Li/ Li + ) . 研究证明,室温下形成的无定形结构是亚稳态,于450 ℃退火后无定形Li- Si 合金出现了部分晶化[32 ] . 因此无定形结构的形成可能是室温下大量锂离子快速进入硅晶格后,破坏了Si- Si 键,形成Li- Si 键,但又没有足够的能量形成有序的占位. 这与离子注入导致的晶格无序化过程比较类似[33 ,34 ] . 在充电过程中,随着锂离子的不断脱出,结晶区域逐渐形成并长大,形成了有序的结构. 但在所研究的充电条件下(恒流,充电截至电压为2. 0 V) ,样品中仍然观察到较多的无定形区域,显然是未能脱出的锂离子造成的,原因同1. 2 节所述.从纳米硅粉电极的充放电曲线看,这种有序-无序- 有序的晶体结构变化似乎对循环性能影响不大. 但显然造成了第一周较大的容量损失.2 纳米正极材料随着半导体器件工作电压设计减小的趋势,2 V 左右的高能电池成为未来的重要发展方向[35 ] . 大多数硫化物相对于金属锂Li + / Li 的电位在2 V 左右,并具有较高的比容量, 因此成为首选的电极材料[35 ] . 同时, 将广泛使用的4 V 正极材料如LiCoO2 和LiMn2O4 等和硫化物匹配, 其电池的工作电压也在2 V 左右. 因此, 硫化物在锂离子电池中的应用逐渐引起关注.最近,FeS2 作为二次锂电池电极材料的工作已有报道[36 ,37 ] .硫化铜(CuS) 价格便宜, 资源丰富, 在本世纪70 年代作为一次电池的电极材料曾被广泛研究, 比能量密度达到300 Wh/ Kg[38 ] . 但由于其晶体结构不利于离子的嵌入脱出, 曾经长时间被认为不适于作为可逆电极使用[39 ] . 后来发现在CuS/ Cu 和CuS/ Li[40 ]两种体系中具有一定的循环特性. 由于CuS 的电子电导率较低,在负载使用中电池容量衰减太快[40 ] . 这些缺点导致Li/ CuS 电池未能作为二次电池使用.受纳米负极研究的启发, 我们认为纳米尺寸的CuS 可能会克服普通CuS 的一些缺点. 本文比较了普通CuS 和超细CuS 的电化学特性,表明CuS 颗粒度的减小有利于循环特性的提高.纳米相CuS 的制备采用胶束法[41 ] . 硫脲为硫源, 氯化铜提供铜源,加氨水形成络合离子,十二烷基磺酸钠作为表面活性剂. 在所得的胶体溶液中,添加一定量的乙醇破坏胶体的稳定性. 将获得沉淀物真空干燥后,与碳黑和PVDF 混合均匀(质量比4∶4∶2) ,压片制成所需工作电极. 电池的装配及测试方法同上.典型的超细CuS 和CuS 试剂的XRD 衍射图样. 可以看出,超细CuS 与CuS 试剂的峰位十分吻合, 衍射峰明显宽化. 对照JCPDS 卡片,晶体属于铜蓝矿结构, 无杂相. 根据Scherrer 公式估算,晶粒尺寸为7 nm. 扫描电镜照片显示(见图8 (B) ) ,所得超细CuS 样品主要由60 nm 左右粒子团聚成粒径约为500 nm 的大颗粒.图9 (A) 是超细CuS 在1. 0～3. 0 V 区间前5 周的循环伏安曲线. 第一次充放电过程中,锂离子电池纳米材料研究。