锂电池正极材料钒系材料的制备

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1、材料化学专业科研训练题冃:锂电池正极材料飢系材料的制备摘要本文主要介绍饥系正极材料相关内容。包括了锂饥氧化物正极材料的工作原理、材料种类、发展情况等方面的内容。介绍了目前锂机氧化物正极材料较为成熟和普遍的制备方法。重点讲述了Li1+xV3O8材料的制备工艺,包括固相合成法、溶胶凝胶法和水热法。在综述的基础上,设计了溶胶凝胶法制备Li1+3V3O8材料的过程,表征手段并预测其结果。目录摘要I第1章绪论11」锂电池电池止极材料介绍11.2锂帆氧化物正级材料介绍3121LixVO2RLixV2O431

2、.2.2Li1+xV3O841.3锐系止极材料研究现状4第2章锂机氧化物正极材料62」锂离子电池工作原理62.2帆系正极材料介绍72.2.1LiVO2Ji.LiV2O472.2.2Lii+MOg介绍82.3锐系正极材料制备方法112.3.1固相合成法112.3.2溶胶凝胶法132.3.3水热法14第3章Li1+xV3O8制备和改性153」溶胶■凝胶法法制备Li1+xV3O8153.1.1试剂及设备153.1.2Li1+xV3O8制备原理及过程153.2Lh+MOg表征17321TGA/DTA测试

3、17322XRD、TEM、SEM分析17171819203.2.3充放电试验循环伏安测试3.3Li1+xV3O8材料改性总结参考文献第1章绪论1.1锂电池电池正极材料介绍锂电池是上个世纪70年代以后发展起来的一种新型电池,由于锂电池具有小型、轻量、容量大等特点,因而被称作是支撑电了产业技术的四个主要领域Z-o锂电池通常是指以金属锂或锂离子为止极活性物质的化学电源,可分为一次锂电池和二次锂电池。电池通常由正极、负极和电解液三部分构成,而电池化学体系决定了电池的电化学反应,从而决定了电池的理论电压、

4、理论比容量和理论比能量。因而对于电池正极材料的研究是捉高电池电化学性能的一个很重要的方面。当前对于锂电池止极材料研究最多的是过渡金属氧化物和有机硫化物两大类。过渡金属氧化物是锂与过渡金属形成的嵌入式化合物,是目前锂离子电池中应用的主要止极材料。现在研究和应用的主耍过渡金属氧化物为LiCoCh、LiVO2>LiNiO2和LixMnVO2以及它们的掺杂物。有机硫化物正极材料这类材料是在上个世纪90年代后才发展起来的新型储能材料,包括有机硫化物及其聚合物,主要用于以锂为负极的锂电池中。这类材料的分子结

5、构中含有双硫键(-S-S),基于其可逆的电解聚■电聚合过程(2SJS・S+2eJ而发生能量交换,其理论能量密度高达1500〜3500Wh/kg,实际能量密度可达830Wh/kg,而且这种材料有一个很大的优点是可以按预定的方式控制其冇机基团和分子结构以及通过共聚、共混來改变其物理、化学和电化学性能⑴。发展高能锂离子电池的关键技术Z—是正极材料的开发,与锂蓄电池负极材料的发展相比较,止极材料的发展稍显缓慢。原因在于尽管理论上可以脱嵌锂的物质很多,但要将其制备成能实际应用的材料却并非易事,制备过程中的

6、微小变化都能导致材料结构乃至性质的巨大差异。作为锂离子电池正极材料的嵌锂化合物是锂离子的贮存库,充电时,Li*离子从正极逸出,恢入负极,放电时IT离子则从负极脱出,插入正极,即在充放电过程中,Li4■离子在正负极间嵌入脱出往复运动犹如來冋摆动的摇椅或往复运动的羽毛球,因此这种电池乂被称为"Rocking-chairbattery或Shuttlecockbattery"o根据其工作原理,正极材料在性质上一般应满足:(1)在所要求的充放电电位范围内,具冇与电解质溶液的电化学相容性;(2)温和的电极过

7、程动力学;(3)高度可逆性;(4)在全锂化状态下的空气屮稳定性好。其结构应具冇:(1)层状或隧道结构,以利于锂离子的脱嵌,冃在锂离了脱嵌时无结构上的变化,以使电极具有良好的充放可逆性;(2)锂离了在其屮尽可能多的嵌入和脱出,以使电极有较高的容量,且在锂离子嵌脱时,电极反应的自由能变化不大,以使电池有较平稳的充放电电压;(3)锂离子在其中应有较大的扩散系数,以使电池有较好的快速充放电性能。目前正极材料研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖品石型LiM2O4结构的化合物上(M=Co、Ni、Mn、V等

8、过渡金属离了)。其中研究较多的止极材料是三种富锂的过渡金属氧化物LiCoCh、LiNiO2和LiMn2O4oLiCoO2属于a-NaFeO2型结构,它具有二维层状结构,适宜Li+的脱嵌,由于其制备工艺较简单、性能稳定、比容量高、循环性好,是最早商品化的锂离子蓄电池正极材料。但是LiCoO2的价格较高,但使用过程冇一定毒性等缺点,影响了锂离子蓄电池成本的降低。LiNiO2为层状结构,在其结构中氧原子构成立方密堆积序列,而Ni和Li则分别占据立方密堆积屮3(a)与3(b)位置,这种结构的任何位错都会

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