32-锂离子电池纳米材料
纳米材料与锂电池
纳米材料与锂电池 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】
摘要
传统的锂离子电池的负极材料是石墨，在可逆容量，循环寿命方面存在一些问题。二相比于块体材料，纳米材料具有许多优异的性能，纳米材料的制备、性能和应用别广泛研究，其中纳米材料在锂电池方面具应用前景。采用纳米材料取代传统块体材料，可以改善锂电池的性能。因此，本论文我们开展了氧化铁纳米材料在锂电池领域的应用调研。
本调研工作如下：
1) 目前锂离子电池的工作原理、负极材料研究情况，分析它们的优缺点。
2) 氧化铁纳米材料作为锂离子电池的负极时相对与其他负极材料的优越性，了解
氧化铁纳米材料在国内外的最新研究状况，在锂离子电池领域的应用情况。分析氧化铁纳米材料各种合成方法，制备工艺参数，对于氧化铁纳米材料电化学性能的影响，进而对锂离子电池影响。
3) 通过调研工作分析氧化铁纳米材料作为锂离子电池的负极材料目前所存在的问题及可能解决方法。比如从氧化铁纳米材料的结构稳定性、纳米材料的形貌尺寸方面及导电性能等方面着手。
关键词：氧化铁纳米材料，锂离子电池，负极材料。
根据中文摘要修改英文，和最后的总结
Abstract
In the 90s of the last century, nano materials, nano composite materials, with its unique performance in lithium ion battery anode material application have great development, the traditional lithium ion battery anode material is graphite, but due to its in the reversible capacity, cycle life performance without nano material as anode materials for lithium ion batteries is superior, so nano material in lithium ion battery anode and by more and more people's attention, for example, the research of iron oxide nano materials because of its high capacity, high safety, high stability, abundant resources, cheap price, etc, by the people's attention.
纳米硅粉在石墨烯及锂离子电池领域的应用
纳米硅粉在石墨烯及锂离子电池领域的应用
硅是自然界中含量仅次于氧的元素，当硅材料的尺度达到纳米级的程度，纳米硅粉将会产生许多不同于体硅的特性，因此研究纳米硅粉的奇特性能很有前景，也很有价值。本文主要是讲述纳米硅粉在制作富勒烯和锂离子电池方面的一些应用。首先，较传统的电弧法制备富勒烯不同的是，我们选择的是利用纳米Cu粉在高温环境下通入CH4和H2，但是由于纳米C u粉的高活性，使得其在高温下易结块，这样得不到完美的均匀分布的球状石墨烯，此时我们利用硅的惰性，将其和铜粉混合高温处理，得到的产物仍然是粉末状的包裹有石墨烯的Cu粉。与此同时，我们注意到纳米硅粉具有较大比表面积和较高的理论比容量，因此纳米硅用来制作锂离子电池很合适。但是现在普遍的做法是利用硅纳米线来制作锂离子电池，而我们选择继续使用纳米硅粉作为负极材料制作电池。纳米硅粉在空气中易被氧化，在其表面会产生一层氧化硅，通过处理表面的氧化硅和内层未被氧化的硅，我们也可以得到一些硅溶胶的副产物。
总体而言，因为纳米硅粉的制作工艺不算复杂，其应用的领域很宽泛，结合上面的一些研究，纳米硅粉的应用前景很客观。
关键词：纳米硅粉；石墨烯；锂离子电池；负极材料；硅溶胶
第一章绪论
1.1 引言
硅纳米粉的制备工艺不算复杂，纳米硅粉具有很多特性，开发潜力很大。
1.2 硅纳米粉的应用
纳米硅是直径小于5nm的晶体硅颗粒。纳米硅粉具有纯度高，粒径小，比表面积大，高表面活性，分布均匀等特点。纳米硅粉用途很广泛，可与有机物反应，作为有机硅高分子材料的原料，可以替代纳米碳粉或者石墨，也可作为锂电池的负极材料，从而大幅度提高锂电池容量（理论上可达到4000mA/h），同时可以加大与电解液的亲和力，易于分散，提高循环性能。纳米硅粉还可用在耐高温和耐火材料中，也能用作半导体微电子封装材料。本文我们主要是利用硅粉和金属粉混合之后，其产生的惰性，能够使得金属粉在高温下不易发生反应。
锂离子电池能源材料研究进展
ｍＡ Ｉ ・ ） ｈ
（） ａ 单次 充放 电
以及 空 心核 壳结 构 的 二 氧 化 锡 纳 米 颗 粒 （ 图 １ ． 见 ） 所合 成 的二 氧化 锡 纳米 空心 球可 用 于新 一 代锂 离 子 电池 的阳极 材料 ， 有 很 高 的 锂 离 子 储 存 容 量 以及 具 非 常好 的循 环性 能 （ 图 ２ ¨ ． 见 ）ｊ １２ 合 成 氧化 锡纳 米材 料 ． 利用 邻二 氮 杂 菲包裹 的锡纳米 颗 粒 制 备 了 一系
，
．
５６ ５
创刊
期 特刊
上 海 大 学 学 报 （ 然 科 学 版） 自
第 ｌ 卷 ７
能、 风能 、 生物 质 能 、 热 能和 潮汐 能 等 ） 着 重要 的 地 有
意义． 锂离子 电池是有效储存这些 不连续能源的重 要 储 能媒 介 ， 可将 不 连续 能源 转变 成 连续 性 的能 源 ． 锂离子电池因其高 比能量 、 高电压和广泛的应用 较 性 而 日益 受 到重 视 ， 已逐渐 替 代传 统 镍 氢 电池 、 镍 镉 电池 、 酸蓄 电池 ， 广泛 应用 于 当今 信 息 时代 的各 铅 被 种 电子设 备 ， 如移 动 电话 、 数码 相 机 、 摄像 机 、 字 处 数 理 机 等． 近年来 ， 锂离 子 电池在 新一 代 混 合 动力 汽 车 （ ｙ ｒ ｅ ｃ ｃｌ ｅｉｌ，Ｈ Ｖ）和 纯 电 动 汽 车 ｈｂ ｄ ｌ ｔ ａ ｉ ｅ ｒ ｖｈｃｅ Ｅ ｉ （ ｌｃ ｃｌ ｅ ｉ ｅ Ｅ 上 的应 用也 日益 受 到关 注． ｅｅｔ ａ ｖｈｃ ， Ｖ） ｉ ｒ ｌ 目前 ， 实验 室 所 研 究 的锂 离 子 电极 材 料 主 要 本 包 括锡 基 纳米 粒 子 、 基／ 复 合 纳 米 材 料 、 纳米 锡 碳 碳 材料 、 碳包 裹磷 酸 铁 锂 复 合 纳 米 材 料 、 化钴 ／ 复 氧 碳 合 纳米 材料 和 氧化 镍／ 石墨 烯复 合 纳米 材 料 ． 些材 这 料 具有 较 大 的 比表 面 积 、 短 的锂 离 子 扩 散 路 径 长 较 度， 尤其是 中空的剩余体积空间， 能够在储存锂离子
锂离子电池材质
锂离子电池材质
锂离子电池是一种常用的二次电池，它的材质是由正极材料、负极材料、电解质和隔膜组成。这些材料在电池中发挥着不同的作用，共同实现了电池的充放电过程。
正极材料是锂离子电池中的重要组成部分，它决定了电池的电压和容量。常用的正极材料有锰酸锂、三元材料和钴酸锂。锰酸锂具有较高的比容量和低的成本，是一种性能较为平衡的正极材料。三元材料具有较高的比容量和较长的循环寿命，但成本较高。而钴酸锂具有较高的比容量和较高的电压，但价格昂贵。在实际应用中，根据不同的需求和成本考虑，可以选择不同的正极材料。
负极材料是锂离子电池中的另一个重要组成部分，它决定了电池的容量和循环寿命。常用的负极材料有石墨和硅。石墨是一种传统的负极材料，具有较高的循环寿命和较低的成本，但容量较低。硅是一种高容量负极材料，具有很高的比容量，但由于其容量膨胀率较大，会导致电池性能下降。因此，石墨和硅常常被混合使用，以兼顾容量和循环寿命的平衡。
电解质是锂离子电池中的重要组成部分，它起到离子传导的作用。常用的电解质有有机电解质和固体电解质。有机电解质具有较高的离子传导性能和较低的成本，但在高温下容易分解。固体电解质具有较高的热稳定性和较长的使用寿命，但离子传导性能较差。在不
同的应用场景中，可以选择不同类型的电解质。
隔膜是锂离子电池中的重要组成部分，它起到隔离正负极的作用，防止短路。隔膜需要具有较好的离子传导性能和较高的机械强度。常用的隔膜材料有聚丙烯膜和聚酰亚胺膜。聚丙烯膜具有较好的离子传导性能和较低的成本，但机械强度较低。聚酰亚胺膜具有较高的机械强度和较长的使用寿命，但成本较高。
材料化学专业纳米材料在能源存储中的应用研究
材料化学专业纳米材料在能源存储中的应用
研究
随着能源需求的日益增加，寻找高效、可持续且环保的能源存储方
式成为当代科学研究的一个重要课题。纳米材料作为一种具有优异特
性和多功能性的材料，近年来在能源存储领域展现出了巨大的潜力。
本文将重点探讨材料化学专业纳米材料在能源存储中的应用研究。
一、太阳能电池中的纳米材料应用
太阳能作为一种绿色可再生的能源，具有广阔的应用前景。纳米材
料在太阳能电池中的应用可以极大地提高光电转换效率。例如，利用
纳米结构设计出的钙钛矿太阳能电池，其能量转换效率可高达20%以上。纳米材料的裸露表面积大、载流子迁移率高等特点使得其在太阳
能电池中的应用成为可能。
二、锂离子电池中的纳米材料应用
锂离子电池在移动电子设备和电动汽车等领域中得到广泛应用。纳
米材料的使用可以提高锂离子电池的容量、循环寿命和快速充电性能。例如，采用纳米结构的硅材料替代传统的碳材料作为锂离子电池的负
极材料，可以显著提高电池的容量和循环寿命。此外，纳米尺寸的氧
化物材料在锂离子电池的正极材料中也有广泛的应用。
三、超级电容器中的纳米材料应用
超级电容器作为一种具有高功率密度和快速充放电性能的能源储存
装置，备受关注。纳米材料以其大比表面积和储能性能成为超级电容
器中的理想材料。例如，利用纳米碳材料制备的超级电容器具有高能
量密度、长循环寿命和优异的稳定性。此外，各种纳米材料的复合结
构也被广泛应用于超级电容器中，以进一步提高其性能。
四、燃料电池中的纳米材料应用
燃料电池作为一种高效环保的能源转换装置，在交通和工业领域有
着巨大的潜力。纳米材料的使用可以提高燃料电池的催化活性和耐久性。例如，采用纳米合金材料作为催化剂，可以显著提高燃料电池的
纳米硅负极
纳米硅负极
纳米硅是一种晶体硅，具有高度的特殊性能和优异的成本效益，是一种全新的材料，
在新能源领域有广阔的应用前景。近年来，越来越多的研究表明，纳米硅在电池中作为负
极材料有着很高的潜力。本文将介绍纳米硅作为电池负极材料的相关研究进展和应用前
景。
1. 纳米硅的特性
纳米硅是硅的一种形态，具有小尺寸、高密度、可控性、表面活性等多种特性。由于
其小尺寸，纳米硅表面积大，能够提高电极与电解质之间的接触面积，从而提高电极反应
速率。此外，纳米硅还具有很高的比表面积，能够有效地提高材料吸附、承载和催化作用。同时，纳米硅具有高度的可控性，可以调节纳米硅的形态和粒径大小，进一步改善其电化
学性能。
2. 纳米硅作为电池负极的优势
（1）高能量密度：纳米硅的理论比容量达到3579mAh/g，是石墨的10倍以上。
（2）高反应速率：纳米硅表面积大，可提高电极反应速率。
（3）长循环寿命：纳米硅独特的形态和结构，能够有效缓解其体积膨胀和收缩的问题，提高电极循环寿命。
（4）源料充足：硅资源充足，成本低廉。
（5）环保可持续：纳米硅材料适应绿色材料需求，可持续发展。
纳米硅作为电池负极材料已经引起了广泛关注，主要应用于锂离子电池、钠离子电池
和锂硫电池等领域。其中，锂离子电池是最广泛应用的领域之一。
（1）锂离子电池：纳米硅作为锂离子电池的负极材料，能够大大提高电极的比容量和能量密度，实现更高的能量输出和更长的循环寿命。目前，国内外已有不少研究团队进行
了相关研究，证实了纳米硅在锂离子电池中作为负极材料的可行性。
（2）钠离子电池：钠离子电池是一种新型的电池技术，与锂离子电池相比，其材料成本更低，也更环保。纳米硅作为钠离子电池负极材料同样具备很高的应用潜力。纳米硅对
纳米材料在储能方面的应用研究
纳米材料在储能方面的应用研究
随着人们对于环保的认识不断提高，储能技术的发展已经成为了当今社会的重要议题之一。随着纳米技术的发展，纳米材料在储能方面的应用也成为了一个备受关注的领域。本文将探讨纳米材料在储能方面的应用研究，并分析其存在的优势和挑战。
一、纳米材料在储能方面的应用
纳米材料可以有效地提高储能设备的性能和效率。目前，常用的储能材料包括锂离子电池、超级电容器和燃料电池等。纳米材料可以利用其独特的物理和化学特性来改进这些储能材料的结构和性能。
1. 锂离子电池
锂离子电池是目前最为常用的储能设备之一。纳米材料可以通过提高电极的比表面积和控制电极的微观结构来提高锂离子电池的能量密度和循环寿命。例如，以二氧化钛纳米材料为基础的锂离子电池具有更高的能量密度和更短的充电时间。此外，一些其他的纳米材料如石墨烯、二硫化钼等也被广泛地应用在锂离子电池的研究和开发中。
2. 超级电容器
超级电容器是另一种重要的储能设备。它们具有高能量密度、
高功率密度和长寿命等特点。使用纳米材料作为电极材料可以提
高超级电容器的性能和循环寿命。例如，纳米氧化钨材料的超级
电容器具有更高的电容和更短的充电时间。此外，石墨烯、碳纳
米管等材料也被应用于超级电容器的研究和开发。
3. 燃料电池
燃料电池是一种将化学能转化为电能的设备。纳米材料可以通
过改善电极催化剂的活性和稳定性来提高燃料电池的效率和寿命。例如，铂纳米颗粒被广泛地应用于燃料电池的催化剂中。此外，钯、铁和镍等纳米颗粒也被用于燃料电池的催化剂中。
二、纳米材料的优势
在储能设备的应用中，纳米材料具有许多优势。首先，纳米材
介孔二氧化硅纳米 导锂离子
介孔二氧化硅纳米导锂离子
1. 引言
锂离子电池作为一种高效、可重复充放电的储能设备，广泛应用于移动通信、电动汽车和可再生能源等领域。为了提高锂离子电池的性能，研究人员一直在寻找新的材料来替代传统的碳基负极材料。介孔二氧化硅纳米材料由于其独特的孔道结构和较大的比表面积，在导锂离子方面显示出了巨大的潜力。
本文将详细介绍介孔二氧化硅纳米材料在导锂离子方面的应用，并讨论其优点、制备方法以及未来发展方向。
2. 介孔二氧化硅纳米材料概述
2.1 介孔结构
介孔二氧化硅纳米材料具有规整排列的孔道结构，这些孔道具有可调控的直径和长度。这种结构使得该材料具有较大的比表面积和丰富的活性位点，有利于锂离子在其内部储存和传输。
2.2 物理和化学性质
介孔二氧化硅纳米材料具有良好的热稳定性、机械强度和化学惰性。此外，其表面可以通过改性来调控其亲疏水性、电荷分布等性质，进一步优化锂离子的储存和传输。
3. 介孔二氧化硅纳米材料在导锂离子方面的应用
3.1 负极材料
介孔二氧化硅纳米材料可以作为锂离子电池负极材料的替代品。其高比表面积和丰富的活性位点能够提供更多的储存空间和反应位点，从而增加了锂离子的储存量和传输速率。此外，介孔结构还能够缓解体积膨胀引起的电极材料破裂问题，提高电池的循环寿命。
3.2 正极材料
除了作为负极材料，介孔二氧化硅纳米材料还可以作为正极材料进行锂离子储存。通过调控其表面性质和结构参数，可以实现对锂离子的选择性吸附和储存，提高电池的能量密度和循环稳定性。
3.3 电解液添加剂
介孔二氧化硅纳米材料还可以作为锂离子电池电解液的添加剂。其孔道结构能够吸附和固定电解液中的锂离子，并在需要时释放出来，从而提高电解液中锂离子的浓
锂离子电池材料
锂离子电池材料
锂离子电池是目前广泛应用于电子设备、电动车和储能系统中的一种重要电池技术。它具有高能量密度、长循环寿命、轻量化等优点，被广泛认可为高性能可再充电电池的最佳选择。而锂离子电池的性能主要取决于其正负极材料的性能。本文将介绍锂离子电池中的正负极材料，并对其进行详细的分析和讨论。
一、正极材料
锂离子电池的正极材料是电池中存储锂离子的地方，直接影响到电池的能量密度、容量和循环寿命等关键性能参数。
1. 钴酸锂（LiCoO2）
钴酸锂是最早应用于商业锂离子电池中的正极材料。它具有良好的循环寿命和较高的能量密度，但价格昂贵和资源稀缺。此外，钴酸锂的热稳定性较差，容易发生热失控和安全问题。
2. 镍酸锂（LiNiO2）
镍酸锂具有较高的理论电容量，是目前商业锂离子电池中常用的正极材料。它具有较高的能量密度和较低的成本，但循环寿命较钴酸锂稍差。
3. 锰酸锂（LiMn2O4）
锰酸锂是一种廉价、丰富的正极材料。它具有良好的循环寿命
和较高的安全性能，但能量密度较低。因此，锰酸锂常被用于低成本、大容量的锂离子电池应用中。
4. 铁酸锂（LiFePO4）
铁酸锂是一种相对新近的正极材料，具有较高的循环寿命和良好的安全性能。它的理论电容量较低，但能量密度较高。铁酸锂也是一种廉价、丰富的材料，因此在电动车领域得到了广泛应用。
二、负极材料
锂离子电池的负极材料主要是用于存储和释放锂离子的地方，直接影响电池的容量、充放电速率和循环寿命等性能。
1. 石墨
石墨是最常用的负极材料，具有较高的容量和较低的成本。然而，石墨在高速充放电和高温环境下容易发生锂离子插入导致的膨胀和结构破裂，导致电池性能下降。
纳米材料在电池和超级电容器中的应用
纳米材料在电池和超级电容器中的应用
随着科学技术的不断发展，纳米材料在众多领域中的应用日益广泛。其中，纳米材料在电池和超级电容器中的应用尤为突出。本文将针对这两个领域展开探讨，分析纳米材料在其中的发挥作用和应用前景。
一、纳米材料在电池中的应用
电池作为一种广泛应用的电力供应装置，玉构建立在存储化学能量的基础上。而纳米材料在电池中的应用，则能够为电池的性能提升和改进提供有力的支持。
1. 提高电池的充放电效率
纳米材料在电池中的应用能够有效提高电池的充放电效率。在锂离子电池中，纳米级锂离子电极材料通过其大量的表面积，可以获得更多的锂离子反应位点，形成更多的锂离子传输通道，从而提高电极材料的功率密度和比容量。纳米材料还能有效提高电池的充放电速率，加快放电过程，提高充电速率。
2. 增强电池的循环稳定性
电池循环稳定性是电池性能的重要指标之一，而纳米材料在电
池中的应用能够有效提高电池的循环稳定性。纳米材料在电池中
的应用能够有效提高电池中的化学反应速率，并通过增加电极材
料的结构稳定性来提高电池的循环性能。纳米材料的应用还能够
控制电极表面与电解质的相互作用，减少电极材料的腐蚀，延长
电池的使用寿命。
3. 实现纳米材料和电池的互补
纳米材料在电池中的应用还可以实现纳米材料和电池的互补。
通过将纳米材料引入电池中，可以使电池达到更高的性能水平。
例如，纳米碳管能够为锂离子电池提供更完备的锂离子传输通道，实现更高的充电速率和功率密度。而ZnCoO 电池则通过添加纳米
材料，实现更高的放电率和循环稳定性。
二、纳米材料在超级电容器中的应用
锂离子电池材料基础知识
掺杂在不同材料中的应用
3、掺杂在LiMn2O4中的应用
➢ Li－改善循环性 ➢ Cr, Co－结构稳定性与高温循环性 ➢ Al－结构稳定性与高温循环性
4、掺杂在LiNi1-xCoxO2中的应用
➢ Al－热稳定性与循环稳定性 ➢ Mg－循环性
5、掺杂在LiFePO4中的应用 ？锂位的掺杂提高材料的电导率
粒径分布窄、均一性好. • 共沉淀法 • 溶胶-凝胶法
13
正极材料的掺杂与修饰
掺杂对材料研究的意义
➢ 提高结构稳定性 ➢ 提高热稳定 ➢ 改善循环性能 ➢ 开发新材料
14
正极材料的掺杂与修饰
掺杂引起材料变化的原因：
➢ 增强的M-O键 ➢ 掺杂元素的活性与非活性 ➢ 掺杂导致的元素价态分布的改变
掺杂对材料的不利影响：
6
内容提要
正极材料的结构及电化学特征; 正极材料的制备及改性方法.
7
正极材料应具备的特性
1> 具备低Fermi能级和低锂离子位能,可提供高 的电池电压;
2> 单位质量的材料能允许尽可能多的锂离子进 行可逆脱嵌,
可提供高的电池容量;
3> 锂离子在材料中的化学扩散系数高,具有快 速充放电能力;
4> 在整个锂离子的脱嵌过程中,材料的主体结 构和体积变化小,
14.5 23.8 1.13 1.40 301.0
纳米材料在电池领域中的应用
纳米材料在电池领域中的应用随着人们对环保意识的日益提高，越来越多的人开始关注能源
的可持续性发展。而在能源领域，电池是一个非常重要的组成部分。电池的性能和寿命的延长一直是电池研发领域的重点。而近
年来，纳米材料在电池领域中的应用逐渐受到重视。
一、纳米材料在电池领域中的应用
电池的性能可以通过一些物理性能参数来衡量，如：能量密度、功率密度、电化学活性表面积等。而在这些物理性能参数中，纳
米材料在电池领域中的应用主要在以下几个方面：
1、增强电化学反应活性
在电池中搭载纳米材料能增加电极的有效电化学活性表面积，
增强电化学反应活性。例如，用纳米二氧化钛涂覆锂离子电池的
电极表面，可以提高锂离子电池的电化学性能。因为纳米二氧化
钛比普通二氧化钛具有更大的比表面积和更好的电子传输效率，
使锂离子在电极表面的活性位点上得到更好的反应。
2、提升电池的导电性
纳米材料还能够提升电池的导电性。例如，将纳米碳管添加到
电极材料中，可以提高锂离子电池的导电性，改善电极材料电容
性能和电池充电速率。
3、增加电池的容量
纳米材料还可以通过增加电极材料的比表面积来增加电池的容量。例如，纳米钛酸锂的比表面积可以达到100 m^2/g，将其应用
于锂离子电池的正极中，可以提高电池的容量。
4、提高电池的循环寿命
纳米材料中的粒径越小，电池的循环寿命就越长，因为粒径小
的纳米材料可以缓解电极材料的容积膨胀和收缩，减少电极材料
的物理破坏。例如，纳米硅可以应用于锂离子电池的负极材料中，提高电池的循环寿命。
二、利用纳米材料开发新型电池
纳米材料在电池领域中的应用不仅仅是优化现有电池的性能，还可以用于开发新型电池。例如：
锂离子电池电极材料综述(精)
锂离子电池电极材料综述
一、引言
从上世世纪70年代起锂离子电池的研究至第一个可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，再到1991年SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池的发展至今已有30多年的时间。锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。与其它蓄电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、安全性能高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等优点。目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。同时被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景
二、工作原理
锂离子电池通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时， Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中， Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。
三、电极材料
（1）电极材料的性能要求
简单来说，电池主要包括正极、负极、电解质与隔膜四个部分。正极材料通常是一种嵌入化合物，在外电场作用下化合物中的锂可逆的嵌入和嵌出；负极材料一般是层状结构的碳材料。
锂离子电池高镍三元材料的研究进展
锂离子电池高镍三元材料的研究进展
一、本文概述
随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，可再生能源的开发和利用受到了广泛关注。锂离子电池作为一种高效、环保的储能技术，被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。高镍三元材料（NCA、NMC等）作为锂离子电池正极材料的代表之一，因其高能量密度、低成本等优点，近年来成为了研究的热点。本文旨在综述锂离子电池高镍三元材料的研究进展，包括其晶体结构、合成方法、性能优化以及应用前景等方面，以期为相关领域的研究提供参考和借鉴。
本文将介绍高镍三元材料的晶体结构和基本性能，阐述其作为锂离子电池正极材料的优势与不足。将重点综述高镍三元材料的合成方法，包括固相法、溶液法、熔融盐法等，并分析各种方法的优缺点。在此基础上，本文将进一步探讨高镍三元材料的性能优化策略，如表面包覆、掺杂改性等，以提高其循环稳定性、倍率性能等。本文将展望高镍三元材料在锂离子电池领域的应用前景，探讨其未来的发展方向和挑战。
通过本文的综述，期望能够为锂离子电池高镍三元材料的研究和应用提供有益的参考和启示，推动该领域的技术进步和发展。
二、高镍三元材料的结构与性能
高镍三元材料，通常指的是NCA（镍钴铝）和NMC（镍锰钴）等富镍正极材料，其中镍的含量通常超过50%。这些材料因其高能量密度和良好的循环性能而受到广泛关注。
高镍三元材料的晶体结构通常为层状结构，属于α-NaFeO₂型六方晶系。在这种结构中，镍、钴和锰（或铝）离子占据3a位置，氧离子占据6c位置，形成八面体配位。镍离子因其较高的氧化态（+3或+4）而占据锂层中的部分位置，这有助于提高材料的能量密度。然而，高镍含量也带来了结构不稳定性的问题，因为镍离子半径较大，容易引起晶格畸变。
锂离子电池材料介绍
Unauthorized reproduction prohibited
3/13/2024
正极材料-富锂锰基材料
改性手段： 离子掺杂---稳定结构，改善倍率，提高循环稳定性 表明改性（包覆，酸洗，球磨,etc)---提高首次充放
电效率，改善倍率性能及循环性能 还原气氛焙烧及控制一次颗粒尺寸---提高倍率性能
改性方法: ➢ 表面碳包覆; ➢ 体相掺杂：Mg, Nb, Ti, Al, W, Zr等; ➢ 减小颗粒尺寸。
12
正极材料- 改性LiFePO4
13
正极材料-高电压(5V)尖晶石材料
应用挑战：
➢ 改善晶体结构稳定性； ➢ 提高电解液抗氧化性。
14
正极材料-LiNi0.5Mn1.5O4(5V)
两种空间结构： Fd3m结构：与LiMn2O4相同，Ni随机取代Mn，含有部分Mn3+，充 放电曲线有4V平台。 P4332结构：Ni有序的取代Mn， Mn全部以Mn4+存在 Fd3m结构的电导率比P4332结构高
负极材料——硬碳
~1% expansion
硬
硬
碳
碳
Scaon硬ft’tc碳ar具bo有n 高ca于n b石e墨gr理ap论hit容ize量d 的at 嵌hig锂h能te力mp（er不atu同re的, w嵌h锂ile机ha理rd）carbon
锂离子电池Fe2O3负极材料的研究进展及展望
环境工程
2019·05
64
Modern Chemical Research
当代化工研究
技术应用与研究锂离子电池Fe 2O 3负极材料的研究进展及展望
＊张森垚
（渭南尚德中学 陕西 714000）
摘要：Fe 2O 3具有成本低廉并且储锂容量大的优势，是一种具有潜在应用价值的锂离子电池电极材料。然而，目前Fe 2O 3仍然存在着充放电
过程中体积变化大和导电性差的问题，严重制约了其在实际中的应用。本论文主要从制备Fe 2O 3微纳结构、制备Fe 2O 3/碳复合结构以及制备
Fe 2O 3纳米阵列结构三个方面，综述了应对Fe 2O 3充放电过程中体积变化大和导电性差问题的方案，并对Fe 2O 3电极在未来锂离子电池领域的发展进行了展望。
关键词：锂离子电池；负极材料；Fe 2O 3；纳米材料
中图分类号：T 文献标识码：A
Research Progress and Prospect of Fe 2O 3 Cathode Materials for Lithium Ion Batteries
Zhang Senyao
(Weinan Shangde Middle School, Shaanxi, 714000)
Abstract ：Fe 2O 3 has the advantages of low cost and large lithium storage capacity and is an electrode material for lithium ion batteries with
potential value. However, at present, Fe 2O 3 still has the problems of large volume change and poor conductivity during charging and discharging, which seriously restricts its application in practice. In this paper, the solutions to the problems of large volume change and poor conductivity in the process of charging and discharging Fe 2O 3 are summarized from three aspects: preparation of Fe 2O 3 micro-nano structure, preparation of Fe 2O 3 / carbon composite structure and preparation of Fe 2O 3 nano-array structure, and the development of Fe 2O 3 electrodes in the field of lithium ion batteries in the future is prospected.
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充电时，锂离子从FeO6层面间迁移出来，经过电解液进入 负极，发生Fe 2+→ Fe 3+的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从 外电路到达负极。放电时则发生还原反应，与上述过程相反。 即：
充电时：LiFePO4－xLi+－xe―→xFePO4+(1x)LiFePO4 放电时：FePO4+xLi++xe―→xLiFePO4+(1－x)FePO4
锂离子电池工作原理图 schematic representation and operation principle of rechargeable
lithium ion battery
锂离子电池性能参数指标
电池内阻
电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻 与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时 间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池 内阻是衡量电池性能的一个重要参数。
解液
二元素系
引入钴稳定其 二维层状结构
锂镍氧
容量高 价格低廉 结构不稳定 合成难度大
三元素系
比容量高 放电倍率佳 安全性好
成本低
未来锂离子电池正极材料的发展方向
在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。二者 相对钴酸锂具有更强的价格优势，具有优秀的热稳定性和安全性。
在通讯电池领域，三元素复合材料和镍酸锂是最有可能成为替代钴 酸锂的正极材料。三元素相对钴酸锂具有比价优势和更高的安全性，而 镍酸锂容量更高。
纳米结构材料在锂离子电池的应用
内容
锂离子电池基本概念 正极材料 负极材料 电解质材料 隔膜材料
锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司 提出者
层状结构的石墨 负极
锂离子电池
正极
锂与过渡金属的 复合氧化物
120-150Wh/kg 比能量 是普通镍镉电池
的2-3倍
电压 高达3.6V
锂离子电池区别于锂电池
锂离子电池 的主要组成部分
正极材料 负极材料
隔膜
电解液
外壳
锂离子电池主要组分常见材料
二次锂电池正负极材料电压-容量分布图
Voltage versus capacity for positive- and negative-electrode materials presently used or under serious considerations for the next generation of rechargeable Li-based cells.
放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量 与电池的额定容量之比，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响， 一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低，放电效率越 低。
循环寿命
电池循环寿命是指电池容量下降到某 一规定的值时，电池在某一充放电制度 下所经历的充放电次数。锂离子电池GB 规定，1C条件下电池循环500次后容量 保持率在60%以上。
锂离子 电池 110-160
聚合物锂 离子电池
100130
300-500 200-300 5002000
300500
1.25 低
30%
2
3.6
3.6
高
非常低
低
5%
10% ～10%
输出电压高
能量密度高
安全，循环性好
锂离子电池 优点
自放电率小 快速充放电 充电效率高
无环境污染，绿色电池
锂离子电池工作原理
摇椅式电池
20世纪80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中金属锂负 极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌入/脱嵌材料。
在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这就像 一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这种电 化学储能体系形象地称为“摇椅式电池” （Rocking-chair Cell）。
早期的锂电池 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍之前，
先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后 电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放 电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般情况下这种 电池是禁止充电的。
工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负 极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服 电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。 锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。
放电平台时间
放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电 时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压 充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充 满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至 3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。
Akshaya Padhi
LiFePO4
LiFePO4在自然界中是以磷酸锂铁矿的形式存在的，具有正交的橄榄石结构 （空间群为Pnma），如图所示。在LiFePO4中，氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆 积方式排列。Fe与Li分别位于氧原子八面体中心位置，形成了FeO6和LiO6八面体 。P占据了氧原子四面体4c位置，形成了PO4四面体。在bc面上，相邻的FeO6八 面体共用一个氧原子，从而互相连接形成Z字形的FeO6层。在FeO6层之间，相邻 的LiO6八面体通过b方向上的两个氧原子连接，形成了与c轴平行的Li+的连续直 线链，这使得Li+可能形成二维扩散运动。
容量单位：mAh、 Ah(1Ah=1000mAh)。
开路电压和工作电压 开路电压是指电池在非工
作状态下即电路中无电流流过 时，电池正负极之间的电势差。 一般情况下，锂离子电池充满 电后开路电压为4.1—4.2V左 右，放电后开路电压为3.0V 左右。通过对电池的开路电压 的检测，可以判断电池的荷电 状态。
LiFePO4的出现
1997年Padhi和Goodenough发现 具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁 锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具 安全性，尤其耐高温，耐过充电性能 远超过传统锂离子电池材料。因此已 成为当前主流的大电流放电的动力锂 电池的正极材料。
A.K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, and J. B. Goodenough Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 4, April 1997
96500/157.756/3.6=170 mA h/g
常见正极材料及其性能比较
磷酸铁锂
锰酸锂
钴酸锂 镍酸锂 镍钴锰三元材料
材料主成分 LiFePO4
理论能量密
170
度（mAh/g）
实际能量密 130-140 度（mAh/g）
电压（V） 3.2-3.7
循环性（次） ＞2000
LiMn2O4 LiMnO2
固相合成法
固相合成法是最早用于磷酸铁 锂合成的方法，通常采用碳酸 锂、氢氧化锂为锂源，醋酸亚 铁、草酸亚铁等有机铁盐以及 磷酸二氢铵等的均匀混合物为 起始物，经预烧和研磨后高温 合成。
共沉淀法
共沉淀法制备超细氧化物由来已久，其具体过程是将适当的原材 料溶解后，加入其他化合物以析出沉淀，干燥、焙烧后得到产物。 由于溶解过程中原料间的均匀分散，故共沉淀的前体可实现低温 合成。但是由于共沉淀方法自身的特点，前驱物沉淀往往在瞬间 产生，各元素的比例往往难于控制。经过焙烧后，很可能会导致 产物中各元素的非化学计量性。
丰富 无毒
良好 ＞ 50快 速衰减
丰富
贫乏
丰富
无毒 钴有放射性 镍有毒
良好
差
差
高温不 -20 ～55
N/A
稳定
贫乏 钴、镍有毒
尚好 -20 ～55
正极材料容量和电压关系图
锂钴氧
性能稳定 价格高 钴是有毒元
素
磷酸铁锂系
循环性能好 低温性能差 合成的批次稳
定性差
锂锰氧
价格低廉 放电比容量低 高温性能不佳 二价锰溶于电
从结构上看，PO4四面体位于FeO6层之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩 散运动。此外，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接，与层状结构（LiMO2， M=Co，Ni）和尖晶石结构（LiM2O4，M=Mn）中存在共棱的MO6八面体连续 结构不同，共顶点的八面体具有相对较低的电子传导率。因此，LiFePO4的结 构内在地决定了其只适合于小电流密度下充放电。LiFePO4的脱锂产物为FePO4， 实际的充放电过程是处于FePO4/LiFePO4 两相共存状态的。FePO4与LiFePO4的 结构极为相似，体积也较接近，相差6.81%。由于充放电过程中结构与体积变
电池的容量
电池的容量有额定容量和实际容量 之分。锂离子电池规定在常温、恒流 (1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下， 充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所 放出的电量为其额定容量。 电池的实际 容量是指电池在一定的放电条件下所放 出的实际电量，主要受放电倍率和温度 的影响（故严格来讲，电池容量应指明 充放电条件）。
因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求， 如果低于要求值，则会出现无法工作的情况。所以放电平台 是衡量电池性能好坏的重要标准之一。
充放电倍率
充放电倍率是指电池在规定的时间 内放出其额定容量时所需要的电流值， 1C在数值上等于电池额定容量，通常 以字母C表示。如电池的标称额定容 量为10Ah，则10A为1C（1倍率）， 5A则为0.5C，100A为10C，以此类 推。
148
286
100-120 200
3.8-3.9 3.4-4.3
＞500
差
LiCoO2 274
135-140
3.6 ＞300
LiNiO2 274
LiNiCoMnO2 278
190-wenku.baidu.com10
155-165
2.5-4.1 差
3.0-4.5 ＞800
过渡金属 环保性
安全性能 适用温度
(℃)
非常丰富 无毒
好 -20～75
自放电率
自放电率又称荷电保持能力，是指 电池在开路状态下，电池所储存的电 量在一定条件下的保持能力。主要受 电池的制造工艺、材料、储存条件等 因素的影响。是衡量电池性能的重要 参数。
充电效率和放电效率
充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的 化学能程度的量度。主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响， 一般环境温度越高，则充电效率要低。
微波合成法
微波合成法是近年发展起来的陶瓷 材料的制备方法，目前已有人将该
法应用于制备磷酸铁锂 。
Higuchi等[1]考察了不同的铁源对 微波烧结法制得的LiFePO4性能的影 响。结果表明，以醋酸铁为铁源比以 乳酸铁为铁源制得的LiFePO4具有更 高的首次充放电容量，但循环性能却 低于后者。
锂离子电池正极材料的要求
比能量高 比功率大 自放电少 价格低廉 使用寿命长 安全性好
•能量越高，电动车 续航里程越远 •功率越高，电动车 加速、爬坡性能越 好 •电动车的安全性的 决定因素 •循环性越好，电动 车寿命越长
正极材料理论电容量计算 1mol正极材料Li离子完全脱嵌时转移的电量为96500C （96500 C/mol是法拉第常数） 由单位知mAh/g指每克电极材料理论上放出的电量： 1mA·h＝1×（10－3）安培×360秒＝3.6C 以磷酸锂铁电池LiFePO4为例： LiFePO4的分子量是157.756 g/mol, 所以他的理论电容量是
锂离子电池特点
与镍镉（Ni/Cd）、镍氢（Ni/MH）电池相比，锂离子电池的主要特点如 下：
重量能量密度 （Wh/kg）
循环寿命 （至初始容量
80%） 单体额定电压(V)
过充承受能力 月自放电率 （室温）
镍镉电池 45-80 1500
1.25 中等 20%
镍氢电池 60-120
铅酸电池 30-50
磷酸铁锂合成方法
自20世纪90年代末期以来 ,橄榄石型磷酸铁锂 (LiFePO4 )正极材料的研 究引起起广大研究者的关注。有望成为新一代首选的可替代 LiCoO2的锂离 子电池正极材料,特别是作为动力锂离子电池正极材料。
其他方法 溶胶-凝胶合成法
微波合成
LiFePO4
共沉淀法 固相合成法
水热/溶剂法