能源材料小组问题集(部分已解答)

能源材料小组问题集
NCM
1.为什么离子掺杂和表面包覆可以用来改性三元材料？
离子掺杂：部分抑制阳离子混排，提高锂离子的扩散系数，影响M-O的强度，稳定晶体结构。

表面包覆：减少电极材料与电解液接触，防止金属离子溶出，提高倒导电性。

2.NCM材料中过渡金属离子的在放电过程中价态如何变化？
0≤x≤1/3 Ni2+→Ni3+
1/3≤x≤2/3 Ni3+→Ni4+
2/3≤x≤1 Co3+→Co4+
3.NCM正极材料存在哪些缺点，并且如何改进？
缺点：Ni2+与Li+半径接近，部分Ni2进入Li+层，导致阳离子混排，影响循环性能，长期与电解液接触导致金属离子溶出，电解液中少量HF会腐蚀电极，增大阻抗。

震实密度较低，放电电压偏低。

改进：改进制备工艺，离子掺杂，表面包覆。

4.NCM材料在放电过程中过渡金属离子不发生变价的是什么？有何用途？
Mn离子保持在+4价，没有体现出电化学活性。

不变的MnO6八面体结构可以稳定材料的结构。

5.解释NCM中的阳离子混排？
该材料为岩盐结构，Li+处于3a位，M为3b位，O2-处于6c位。

过渡金属M被6个O2-包围，形成MO6八面体。

Ni2+与Li+半径相近，充电过程中，Ni2+会占据Li+的位置。

富锂正极材料
1.富锂正极材料存在的缺点？
2.为什么富锂正极材料首次不可逆容量损失较大？
3.简述一下富锂正极材料充电过程？
4.过渡金属氧化物如：CrO2，ZrO2，SiO2用于包覆富锂正极材料，主要作用有哪些？
5.为什么富锂正极材料呈现出较高的容量？
6.xLi2MnO3·（1-x）LiMO2为什么叫做富锂正极材料？
碳材料（？）
1.对于石墨负极材料，在高菱方相含量增加时，为什么储锂容量得到提高？
机械加工过程中菱方含量增加引入更多结构缺陷（晶界和线缺陷），阻止溶剂化锂离子共嵌入层间；除了层间储锂，六方相和菱方相晶界储锂容量更高。

2.碳材料表面为什么容易形成SEI膜，SEI膜有什么优缺点？
碳电极从开路电压被极化至较低电压时，有机电解液中的溶剂、锂盐阴离子和痕量杂质在电极表面发生还原分解反应，不溶的还原产物沉积形成钝化层。

优点：阻止电极和电解液的进一步反应。

缺点：减少可逆容量；增加界面电阻影响倍率性能；高温下SEI膜分解可能造成安全问题。

3.优良的SEI膜必须具备的性能？
电子绝缘离子可导，致密，好的热稳定性和化学稳定性。

4.为什么有些碳纳米材料的容量高于石墨的理论比容量？
纳米化后锂离子传输距离缩短，加快嵌脱；更大的比表面积利于锂离子嵌入；缺陷和界面储锂能力强。

5.石墨类负极材料存在哪些缺点？为什么？
对电解液敏感，易发生溶剂共嵌入；片层剥离，影响循环稳定性；层间距小，锂离子扩散速率小，影响大电流充放性能；首次库仑效率低，尤其是比表面积大的微晶石墨。

TiO2
1.（缺失）
2.TiO2作为锂离子电池存在哪些优点？
3.为什么氮掺杂TiO2提高性能？
4.除了TiO2-B外，TiO2还有哪几种主要晶相；与其他晶相相比，TiO2-B负极材料有何特点？
5.TiO2按照储锂状态Li-TiO2计算，理论比容量为335mAh/g，为什么锐钛矿TiO2的容量通常<167mAh/g?
6.为什么合成纳米TiO2负极材料？
7.提升TiO2材料性能的方法主要有哪些？
LiMn2O4
1.LiMn2O4容量衰减的主要原因？
2.简述LiMn2O4的晶体结构？
3.为什么LiMn2O4放电至3.0V以下结构不稳定？
4.LiMn2O4正极材料的优点和缺点？
5.描述LiMn2O4中锰离子在电解液中的溶解过程。

石墨
1.石墨为什么要改性？
石墨对电解液敏感，在充放电过程中，容易发生溶剂共嵌入，降低嵌锂能力。

容易发生片层玻璃现象，影响其循环稳定性。

层间距较小，锂离子扩散速率小，影响其大电流充放电特性。

首次库伦效率低，不可逆容量损失大。

2.对于石墨嵌锂化合物，1阶电位低还是4阶电位低？为什么？
一阶电位低。

因为一阶石墨嵌锂化合物中的锂离子数目最大，发生嵌锂过程，是负极的充电过程，负极充电电位降低，所以一阶电位更低。

3.对于石墨负极材料，在高菱方相含量增加时，为什么储锂容量得到提高？
高菱方相由六方相经机械球磨获得，在机械加工过程中，会引入更多的结构缺陷，阻止溶剂化锂离子共嵌入石墨层间。

菱方相的引入，增加了菱方相和六方相的晶界，锂离子可以储存在晶界中。

纳米锡基负极材料
1.解释CV曲线
2.Sn基材料有哪些优点与缺点？
3.怎么提高Sn基材料的性能？
4.过渡金属氧化物主要储锂机制有哪些？
5.锡基材料可以用于锂离子电池正极材料吗?为什么？
6.为什么锂离子电池负极集流体不用铝箔？
LiFePO4
1.为什么制备球形LiFePO4颗粒可以提高电池的能量密度？
2.为什么LiFePO4低温性能差？
3.（缺失）
4.为什么对LiFePO4进行掺杂？
5.怎样提高LiFePO4电子导电性？
6.怎样提高锂离子在LiFePO4的扩散能力？
锂离子电池纳米硫化物
1.写出MnS嵌锂过程的电化学反应方程式？
2.描述锂硫电池的穿梭效应？
3.锂硫电池存在哪些基本问题？
4.（缺失）
5.描述一下锂离子电池的充放电机理。

钠离子电池
1.为什么传统的石墨材料可以储锂，但是储钠性能较差？
2.硬碳与石墨材料比较，哪种材料储钠容量更高？为什么？
3.什么是FEC？在钠离子电池中的作用？
锂硫电池
1.描述一下锂硫电池的放电过程？
1/8S+2Li++2e-→Li2S
锂硫电池放电分四个阶段：
I：S8→S82
S8、高聚态长链的S82-组成
在电场作用下，生成的Li2S8立即溶解于电解液。

放电平台：2.4V
II：液相转变过程
Li2S8转变为可溶的多硫化物Li2S n
溶解的Li2S8相当于液态正极，随多硫化物链长的变短，电压逐步降低。

III：液-固反应过程
Li2S8→Li2S2、Li2S
放电平台：~2.1v
此阶段对容量贡献最大。

IV：固-固反应阶段
Li2S2→Li2S
当放电产物主要是Li2S时，电池有更高的容量和稍低的电压平台，第四阶段变短甚至消失。

Li2S2、Li2S导电性差，反应缓慢，极化大。

2.描述锂硫电池的穿梭效应
中间产物多硫离子S x2-不断溶解进入电解液中，易造成可逆容量较大损失，循环性能恶化；
在充电末期，溶解于电解液的S x2-（4≤x）容易扩散到金属锂负极一侧，并与之发生还原反应形成低价态S y2-（4≤y≤x），随后又扩散到正极表面并再次被氧化成S x2-（4≤x），如此反复与正负极之间，形成“多硫化物穿梭效应”。

3.引入金属氧化物（MnO2），为什么可以改善锂硫电池正极的性能？
4.锂硫电池主要存在哪些难题？怎样改进？
负极锂的稳定性：
S、Li2S是绝缘体：增加导电剂或者与高导电性材料复合。

多硫化物的溶解：
（Li4Ti5O12？）
1.解释锂离子电池层状正极材料的阳离子混排现象？
2.描述Li4Ti5O12嵌锂过程中，结构的变化？
3.写出MnO储锂的电化学反应式。

4.为什么尖晶石结构的锰酸锂材料不能过放电至3.0V以下？
（镍氢电池？）
1.解释镍氢电池正负极材料的主要组成？
正极：Ni(OH)2、导电剂、溶剂、粘结剂、基体。

负极：活性物质（储氢合金粉）、粘结剂、溶剂、导电剂、基体。

2.解释摇椅式电池？
充放电过程中，锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的浓差电池。

3.为什么石墨烯可以提高过渡金属氧化物负极材料的性能？
石墨烯有较大的比表面积，提供了电极材料和电解液反应界面，并且有表面储锂的功能，可以提高材料的储锂能力。

石墨烯为网状结构，为电子转移提供了互联的通道，提高了电子电导率，可以提高材料的倍率特性。

锂空气电池
1.描述有机电解液体系锂空气电池充放电原理。

O2+e-→O2-
O2-+Li+→LiO2
2LiO2→Li2O2+O2
2.锂空气电池正极主要由什么组成？
主要由活性材料、集流体、粘结剂、催化剂组成。

在非水体系中，空气正极主要由多孔碳材料与催化剂组成。

3.（缺失）
4.有机-水系组合电解液体系与有机系、水系比较有什么优点？
水系与非水系电解液之间有一层隔膜，该隔膜起到隔水、隔氧、导离子的作用。

相较于非水系，解决了Li2O2的堆积堵塞氧气通道的问题；相较于水系，把Li负极与水和氧气隔开，稳定了负极。