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锂离子电池论文

锂离子电池论文

摘要

随着电力行业的高速发展，锂离子电池的研究已成为当代的热点研究课题。

研究锂离子电池，最主要的是对正极材料的研究，因为锂离子电池由于受到技术制约而使其性能得不到充分发挥。

锂离子电池在实际应用中有着循环使用寿命较长、首次充放电比容量高、对环境无污染等优点，已经成为21世纪绿色电源的首选。

目前常用的正极材料主要是LiCoO2，由于LiCoO2合成简单，充放电电压平稳，已经广泛用于各个领域，但是LiCoO2中钴材料价格较贵，毒性较大对环境污染严重，实际容量只有理论容量的二分之一，导致它的使用受到严重限制。

这就迫使研究者寻找新型的正极材料来代替LiCoO2。

LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料价格低，热稳定性高，循环稳定性能良好，是目前高容量电极材料发展的主要方向。

本文将采用共沉淀法和溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，然后利用XRD、SEM、充放电及循环性能测试对其进行结构、形貌研究并测试其电化学性能。

共沉淀法制备材料能有效节省材料的制备时间，选择合适的沉淀体系，加入一定量表面活性剂，严格控制反应体系PH在11，配锂量要大于一般的固相反应。

当配锂量在1.1时，前驱体经过500℃预处理，然后在850℃下焙烧20h可得到粒径均匀，分散性好的细小颗粒；溶胶-凝胶法制备材料时，通过控制合适的络合剂、易分解的金属离子盐以及反应过程中的温度、时间、PH等条件，找到溶胶-凝胶法制备材料的最佳工艺条件。

实验表明，采用适当的反应过程和适宜的PH（6-6.3）值可以得到颗粒细小、均匀且分散性良好的粉状材料，使用这种粉体材料经过500℃预处理，然后在850℃下焙烧20h可以得到粒径在100～300nm，均匀分布的粉末颗粒。

首次充放电实验表明，这种材料具有良好的循环稳定性能和较高的容量。

关键字：

锂离子电池；正极材料；共沉淀；溶胶-凝胶法；LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

Abstract

Withthehigh-speeddevelopmentofthepowerindustry,theresearchoflithiumionbatteryhasbecomeahotresearchtopicinthecontemporary.Researchonlithiumionbatteries,themostimportantisthestudyoftheanodematerials,becauseofthelithiumionbatteriesduetotechnicalconstraintsandmakenotgivefullplaytoitsperformance.Inactualapplicationoflithiumionbatteryhasafirstchargeanddischargecyclealongservicelife,theadvantagesofhighspecificcapacity,ontheenvironmentpollution-free,hasbecomea21stcenturygreenpowerofchoice.ThepositivematerialsofthecommonlyusedatpresentismainlyLiCoO2,asaresultofLiCoO2synthesisissimple,stablechargeanddischargevoltage,hasbeenwidelyusedineveryfield,butintheLiCoO2cobaltmaterialpriceismoreexpensive,biggertoxicitytoenvironmentpollutionisserious,theactualcapacityisonlyhalfofthetheoryofcapacity,ledtoitsuseislimitedbyserious.ThisforcestheresearcherslookingfornewtoreplacetheLiCoO2cathodematerial.LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2cathodematerialpriceislow,highthermalstability,stablecycleperformanceisgood,iscurrentlythemaindevelopmentdirectionofhighcapacityelectrodematerials.

Thisthesiswillusethecoprecipitationmethodandsol-gelmethodoflithiumionbatterycathodematerialLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,thenusingXRD,SEM,charge-dischargeandcycleperformancetestresearchonthestructure,morphologyandtesttheirelectrochemicalperformance.

Coprecipitationpreparationmaterialcaneffectivelysavethepreparationtime,selecttheappropriatesystemofprecipitation,surfaceactiveagentwasaddedinto,strictcontrolofreactionsystemPHin11,withlithiumcontentthanordinarysolidphasereaction.Precursorwhentheamountoflithiumin1.1after500℃preprocessing,andthenroasting20hunder850℃cangetuniformparticlesize,gooddispersiontinyparticles;Sol-gelmethodmaterials,bycontrollingtheappropriatecomplexingagentandmetalionsaltandeasydecompositionreactionconditions,suchastemperature,timeandPHonthefindmaterialoptimumprocessconditionsofsol-gelmethod.ExperimentsshowthattheproperreactionprocessandthesuitablePHvalue（6-6.3）canbeparticlessmall,uniformandgooddispersancypowdermaterials,theuseofthispowdermaterialsafter500℃preprocessing,andthenroasting20hunder850℃cangetgrainsizein100~300nm,uniformdistributionofpowderparticles.Thefirstchargeanddischargeexperimentsshowthatthematerialhasgoodcyclestabilityperformanceandhighercapacity.

KeyWords:

Lithium-ionbattery,Cathodematerial,Coprecipitation,Sol-Gelmethod,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

1绪论

1.1研究背景

近年来，随着电力行业的高速发展以及我国乃至全球对节能环保的高度重视，新能源的发展已成为当代的热题，但是煤、石油、天然气等不可再生能源即将耗之殆尽。

为了后续的可持续发展，寻找新能源和发展新型的能源工具已迫在眉睫，所以新能源材料的研究势必成为目前的首选课题。

目前，人们发现的新能源有太阳能、风能、地热能、氢能等。

但是这些能源存在许多问题，比如：

政府扶持政策不到位；产业规模小，发展速度慢；成本高，效率低以及地域等不确定因素的影响，具有很大的不稳定性。

为了解决这些问题，并满足能源的便携式要求，人们将目光投向锂离子电池。

因为锂离子电池有着许多优点[1]：

工作电压高、有较高的能量密度、循环使用寿命较长、自放电率低、无记忆效应、不含重金属和有毒物质，对环境无污染等。

从被发现以来，已广泛应用于照明行业、医疗器械等各个领域。

但是锂离子电池仍存在一些缺点：

快充放电性能差，大电流放电特性不理想、价格偏高、过充放电保护问题。

这也是锂离子二次电池遇到的一个难题，但是随着科学技术以及材料学的快速发展，对锂离子正负极材料已经有了很大的突破。

目前，人们还在继续努力寻找高性能的电池材料，以此来研发出满足人们日常生活需求的高性能电池。

随着对锂离子电池存在的问题的解决，其应用前景会越来越广，终将被人们接受并大量使用。

1.2锂离子电池概述

1.2.1锂离子电池的发展历程

锂离子二次电池的研究始于上世纪的石油危机。

锂是金属元素中最轻的，它的标准电极电势为3.045V，同样在金属元素中属于电势最低的，一直以来就作为制作电池最重要的金属材料来研究。

1970年首次作为正极材料层状TiS2等嵌入式化合物逐渐被人们发现了。

1971年，日本松下公司首次发明了氟化碳电池，锂电池逐步走向了实用化和商品化。

80年代“摇椅式”[2]锂离子二次电池被提出。

正负极材料也可以采用可以储存和交换锂离子的材料，充放电时，锂离子的来回移动进行能量交换。

90年代，索尼公司发明并推出商品化的锂离子蓄电电池，它能量比高，寿命长。

1999年聚合物锂离子电池产业化，被誉为下一代的锂离子二次电池。

从电池的发展来看，电极材料和电解质材料影响了电池的主要性能。

价格低廉和性能优良是人们对锂离子电池材料的基本要求，同时也是研究重点。

正极材料是锂离子电池最重要的组成部分，电池充放电过程中提供在正负

极嵌锂化合物间循环嵌入、脱出锂。

正极材料所提供的锂还包括负极材料表面形成SEI

膜，正极材料成为目前制约电池容量的关键。

1.2.2锂离子的应用及前景

作为高性能的二次电池，锂离子电池在生活中的应用极为广泛，在市场上也占很大比例。

目前，锂离子电池主要应用在无线信息通信办公产品，如移动电话、笔记本电脑；数字娱乐产品，如相机，多媒体播放设备；电子图书设备等。

上述领域发展飞速，对二次电池提出更高要求。

锂离子电池主要指标有能量密度、功率密度、循环性、温度特性、价格等，目前人们研究朝五个方向发展。

高能量密度电池：

主要应用在无线通信办公产品和数字娱乐产品。

高功率动力电池：

主要用在电动工具，交通和其他大功率器件。

长寿命储能电池：

主要用于后备电源，太阳能电站，风电站等分散独立电源体系中的储能电池。

微小型锂离子电池：

用于无线感应器、微型无人飞机