锂离子电池开题报告[1]

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4 200

mAh/ 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