锂离子电池正极材料硫化镍的研究
发布时间：2021-07-05 09:28
现今传统化石燃料过度开发及消耗引起的能源危机以及环境污染问题越来越受到人们的关注,开发环境友好、可持续发展的储能设备具有十分重要的现实意义。锂离子电池具有诸多优点,作为一项革新技术替代了传统能源,并被广泛使用,成为人们生活中必不可少的发明。在现如今商业应用的锂离子电池正极材料中,容量普遍偏低,且各种材料都存在一定局限,在物质飞速发展的如今,这很难满足人们对锂离子电池高容量、长循环寿命的需求。在锂离子电池的性能改善中,开发具有高比容量的新型电极材料,尤其是正极材料,是非常重要的。而过渡金属硫化镍具有较高的理论容量和较低廉的原料成本,而被认为是具有研究价值的锂离子电池正极材料;然而,过渡金属硫化镍导电性不高（于碳材料或合金材料等相比）以及循环寿命差等缺点,这使得其在锂离子电池中的应用受到诸多限制。目前多采用制备多样化的纳米结构的材料、碳材料复合材料或者是与导电基底结合来改善其性能。本文主要阐述了锂离子电池的发展、结构、工作原理、电极组成及其研究方法等内容;详细介绍了目前商业化的几种正极材料及其合成方法、本实验中要用到的仪器试剂设备及材料表征方法。本文主要利用简单的水热法优化合成硫化镍产物。...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图
重庆大学硕士学位论文1绪论6充电时：2→12+++6+++→6放电时：12+++→26→6+++1.2锂离子电池正极材料研究进展正极材料是整个电芯的核心，电池的容量、寿命、成本都受到正极材料的影响和制约，因此廉价高性能正负极材料的研究和开发一直是锂离子电池研究的重点，理想的正极材料应满足：（1）为保证电池的高电压，脱、嵌锂电位要尽量高；（2）理论容量要大，电池的实际容量不可能达到理论容量，但理论容量决定了电池容量的上限，只有材料的理论容量高了，实际容量才有可能尽量的高；（3）材料结构稳定，能承受锂离子脱、嵌过程中引起的结构变化，使得电池稳定性好；（4）同样不与电解液发生反应；（5）能够大功率充放电，满足现阶段电子设备快充的需求；（6）安全环保，价格合适。目前电池正极材料的种类很多，合成方法也是大不相同，详见图1.3和表1.2。但是研发成功并实现商业应用的多为过渡金属嵌锂氧化物，如金属硫化物、过渡金属氧化物以及聚阴离子化合物等，商业化的正极材料主要围绕着磷酸铁锂（LiFePO4）、三元材料（LiNixCoyM1-x-yO2，其中M=Al或Mn）、钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）这四种，其中三元材料是容量最高的，磷酸铁锂的稳定性与安全性最好的。图1.3锂离子电池商业化现状Fig.1.3Schemeofcommerciallithiumionbatterycathodematerial.
重庆大学硕士学位论文1绪论7表1.2锂离子电池主要正极材料对比Table1.2Comparisonofmainlithiumionbatterycathodematerials.正极材料钴酸锂镍酸锂锰酸锂磷酸铁锂三元材料理论容量/mAhg-1274274148170280实际容量/mAhg-1140~160190~21090~120130~140160~210结构层状层状尖晶石橄榄石层状电压平台/V3.93.83.73.43.8循环性能适中较差适中良好适中金属储量贫乏较贫乏丰富丰富丰富原料成本很高高低廉低廉适中安全性能较差较差良好良好一般有无毒性有有无无无适用领域3C领域小电池动力电池动力电池动力电池1.2.1钴酸锂LiCoO2钴酸锂（LCO）是最先也是最成功商业化的层状含锂过渡金属氧化物电极，最先由索尼在上世纪九十年代实现商业化，至今仍在锂离子市场上占主要位置。LCO属于α-NaFeO2型层状结构，适合锂离子的脱、嵌，从其晶格结构图1.4中可以看出，CoO6和Li交替分层堆叠形成层状结构，其中钴离子和锂离子分别占据氧的立方密堆中八面体空隙的位置。其合成方法主要有传统的高、低温固相合成法[14,15]，这也是最常用最成熟的方法，主要研究侧重点在如何提高材料颗粒的均匀性、降低煅烧温度等；新兴的溶胶-凝胶法[16]，反应物原子水平混合，均匀性好，即使低温煅烧结晶度也良好，但是成本高，需要大量凝胶骨架；水热法[17]，制得的材料循环性不好；以及喷雾干燥法[18]等。图1.4钴酸锂的层状晶体结构示意图Fig.1.4CrystalstructureoflayeredLiCoO2.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池的基本结构组成及其应用[J]. 颜聿辰. 中国战略新兴产业. 2017(28)
[2]新型锂离子电池三维结构泡沫NiO电极的制备及电化学性能[J]. 王崇,王殿龙,王秋明,陈焕俊. 无机化学学报. 2010(05)
[3]电化学阻抗谱法预测锂电池荷电状态[J]. 李革臣,古艳磊. 电源技术. 2008(09)
[4]锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2的研究进展[J]. 吴海燕,王剑华,李斌,郭玉忠. 材料导报. 2007(S3)
[5]锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2[J]. 王希敏,王先友,罗旭芳,廖力. 化学进展. 2006(12)
[6]LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的413450型电池的性能[J]. 胡国荣,谭显艳,高旭光,彭忠东. 电池. 2006(02)
[7]元素掺杂对LiNiO2正极材料电化学性能的影响[J]. 时朝昆,赵煜娟,刘欣艳,夏定国. 电源技术. 2004(03)
[8]影响LiMn2O4正极材料容量衰退的主要因素[J]. 郑洪河,徐仲榆. 电池. 2001(03)
[9]晶体生长理论的发展趋势与界面相模型[J]. 李国华,王大伟,张术根,黄志良. 现代技术陶瓷. 2001(01)
[10]锂离子电池正极材料研究进展[J]. 吴川,吴锋,陈实,王国庆. 电池. 2000(01)
博士论文
[1]锂离子电池正极材料LiFePO4的合成及电化学性能研究[D]. 庄大高.浙江大学 2006
硕士论文
[1]三维集流体磷酸亚铁锂正极及匹配负极的研究[D]. 陈焕骏.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3265816
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图
重庆大学硕士学位论文1绪论6充电时：2→12+++6+++→6放电时：12+++→26→6+++1.2锂离子电池正极材料研究进展正极材料是整个电芯的核心，电池的容量、寿命、成本都受到正极材料的影响和制约，因此廉价高性能正负极材料的研究和开发一直是锂离子电池研究的重点，理想的正极材料应满足：（1）为保证电池的高电压，脱、嵌锂电位要尽量高；（2）理论容量要大，电池的实际容量不可能达到理论容量，但理论容量决定了电池容量的上限，只有材料的理论容量高了，实际容量才有可能尽量的高；（3）材料结构稳定，能承受锂离子脱、嵌过程中引起的结构变化，使得电池稳定性好；（4）同样不与电解液发生反应；（5）能够大功率充放电，满足现阶段电子设备快充的需求；（6）安全环保，价格合适。目前电池正极材料的种类很多，合成方法也是大不相同，详见图1.3和表1.2。但是研发成功并实现商业应用的多为过渡金属嵌锂氧化物，如金属硫化物、过渡金属氧化物以及聚阴离子化合物等，商业化的正极材料主要围绕着磷酸铁锂（LiFePO4）、三元材料（LiNixCoyM1-x-yO2，其中M=Al或Mn）、钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）这四种，其中三元材料是容量最高的，磷酸铁锂的稳定性与安全性最好的。图1.3锂离子电池商业化现状Fig.1.3Schemeofcommerciallithiumionbatterycathodematerial.
重庆大学硕士学位论文1绪论7表1.2锂离子电池主要正极材料对比Table1.2Comparisonofmainlithiumionbatterycathodematerials.正极材料钴酸锂镍酸锂锰酸锂磷酸铁锂三元材料理论容量/mAhg-1274274148170280实际容量/mAhg-1140~160190~21090~120130~140160~210结构层状层状尖晶石橄榄石层状电压平台/V3.93.83.73.43.8循环性能适中较差适中良好适中金属储量贫乏较贫乏丰富丰富丰富原料成本很高高低廉低廉适中安全性能较差较差良好良好一般有无毒性有有无无无适用领域3C领域小电池动力电池动力电池动力电池1.2.1钴酸锂LiCoO2钴酸锂（LCO）是最先也是最成功商业化的层状含锂过渡金属氧化物电极，最先由索尼在上世纪九十年代实现商业化，至今仍在锂离子市场上占主要位置。LCO属于α-NaFeO2型层状结构，适合锂离子的脱、嵌，从其晶格结构图1.4中可以看出，CoO6和Li交替分层堆叠形成层状结构，其中钴离子和锂离子分别占据氧的立方密堆中八面体空隙的位置。其合成方法主要有传统的高、低温固相合成法[14,15]，这也是最常用最成熟的方法，主要研究侧重点在如何提高材料颗粒的均匀性、降低煅烧温度等；新兴的溶胶-凝胶法[16]，反应物原子水平混合，均匀性好，即使低温煅烧结晶度也良好，但是成本高，需要大量凝胶骨架；水热法[17]，制得的材料循环性不好；以及喷雾干燥法[18]等。图1.4钴酸锂的层状晶体结构示意图Fig.1.4CrystalstructureoflayeredLiCoO2.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池的基本结构组成及其应用[J]. 颜聿辰. 中国战略新兴产业. 2017(28)
[2]新型锂离子电池三维结构泡沫NiO电极的制备及电化学性能[J]. 王崇,王殿龙,王秋明,陈焕俊. 无机化学学报. 2010(05)
[3]电化学阻抗谱法预测锂电池荷电状态[J]. 李革臣,古艳磊. 电源技术. 2008(09)
[4]锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2的研究进展[J]. 吴海燕,王剑华,李斌,郭玉忠. 材料导报. 2007(S3)
[5]锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2[J]. 王希敏,王先友,罗旭芳,廖力. 化学进展. 2006(12)
[6]LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的413450型电池的性能[J]. 胡国荣,谭显艳,高旭光,彭忠东. 电池. 2006(02)
[7]元素掺杂对LiNiO2正极材料电化学性能的影响[J]. 时朝昆,赵煜娟,刘欣艳,夏定国. 电源技术. 2004(03)
[8]影响LiMn2O4正极材料容量衰退的主要因素[J]. 郑洪河,徐仲榆. 电池. 2001(03)
[9]晶体生长理论的发展趋势与界面相模型[J]. 李国华,王大伟,张术根,黄志良. 现代技术陶瓷. 2001(01)
[10]锂离子电池正极材料研究进展[J]. 吴川,吴锋,陈实,王国庆. 电池. 2000(01)
博士论文
[1]锂离子电池正极材料LiFePO4的合成及电化学性能研究[D]. 庄大高.浙江大学 2006
硕士论文
[1]三维集流体磷酸亚铁锂正极及匹配负极的研究[D]. 陈焕骏.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3265816
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