開題報告—鋰離子電池正極材料研究

1、開題報告開題報告—鋰離子電池正極材料研究鋰離子電池正極材料研究立論依據(jù)立論依據(jù)—鋰離子電池鋰離子電池的發(fā)展的發(fā)展隨著電子、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，小型分離的移動電源的需求迅速增加，特別是，近年數(shù)碼相機、移動電話、筆記本電腦、電動車、軍用設(shè)備以及航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，要求電池能夠反復(fù)使用、容量大、重量輕。促進(jìn)研究具有工作電壓高、能量密度高、安全性能好、循環(huán)壽命長、無污染、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點的二次電池。常用的二次電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池

2、、鋰離子電池等。法國人普蘭特于1859年發(fā)明鉛酸蓄電池，已經(jīng)歷了近150年的發(fā)展歷程，鉛酸蓄電池在理論研究方面，在產(chǎn)品種類及品種、產(chǎn)品電氣性能等方面都得到了長足的進(jìn)步，具有質(zhì)量安全、穩(wěn)定，可靠性高，維護(hù)簡單，使用壽命較長等優(yōu)點，不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。其內(nèi)部抵制力小，內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電

3、時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。鎳鎘電池最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當(dāng)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”，使得服務(wù)壽命大大縮短。在電池充放電的過程中（放電較為明顯），會在電池極板上產(chǎn)生些許的小氣泡，日積月累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量。此外，鎘是有毒的，因而鎳鎘電池不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數(shù)碼設(shè)備電池的應(yīng)用范圍。鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳合成，電量儲備比鎳鎘電池多

4、30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。鋰離子電池是繼鉛酸電池、鎳鎘電池以及鎳氫電池之后新一代二次電池，具有工作電壓高、容量高、自放電小、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、無環(huán)境污染及工作溫度范圍寬等顯著優(yōu)點，是高容量、大功率電池的理想之選。自問世以來已廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備以及電動汽車中，預(yù)計在未來的航空航天領(lǐng)域、人造衛(wèi)星以及區(qū)域電子綜合信息系統(tǒng)

5、等諸多領(lǐng)域中，大容量的鋰離子電池將會在能源技術(shù)方面得到廣泛應(yīng)用。提供大量自由“脫嵌嵌入”鋰離子的正極材料對于提高鋰離子電池的工作電壓、比能量、循環(huán)壽命等電化學(xué)性能至關(guān)重要。理想的鋰離子電池正極材料應(yīng)滿足以下要求：(1)有較高的氧化還原電位，從而使電池有較高的輸出電壓；(2)鋰離子能夠在正極材料中大量的可逆地脫嵌，以保證電池有高的充放電容量；位置。這樣，LiO4四面體中有3個氧原子位于同一[SiFeO4]層中，第4個氧原子位于另一個[Si

6、FeO4]層中。同時，LiO4四面體沿著a軸方向通過共用頂點的方式排列成行，所以這種結(jié)構(gòu)為鋰離子提供了運動通道，便于鋰離子的嵌入或脫出[23]。Nishimura[4]通過HRXRD（HighResolutionXRayDiffraction）和SAED（edAreaElectronDiffraction）測得：a=8.22898(18)，b=5.02002(4)，c=8.23335(18)，β=99.2027(5)?，屬于單斜晶系P2

7、1空間群。如圖1所示，可看出，Li2FeSiO4材料呈現(xiàn)出類似二維的片面層狀的結(jié)構(gòu)，SiO4四面體和FeO4四面體的空間取向和Pmn21空間群中的取向有明顯差異：Pmn21空間群中類似于鏈狀硅酸鹽的一節(jié)鏈結(jié)構(gòu)[5]；而在P21空間群中類似于四節(jié)鏈結(jié)構(gòu)，SiO4四面體和FeO4四面體有規(guī)律地依次旋轉(zhuǎn)形成一維鏈狀結(jié)構(gòu)，[SiFeO4]層面是和（010）平面平行，沿著[010]方向通過共用氧原子連接形成晶體的骨架，沿著[101]方向通過LiO

8、4四面體連接，也就是[101]方向形成了鋰離子的運動通道，在另外，LiO4四面體不再是沿著a軸方向排列成行，而是沿著[010]方向通過共用頂點的方式排列成行。3Li2MSiO4材料的電化學(xué)性能材料的電化學(xué)性能目前使用的電解質(zhì)的穩(wěn)定極限電壓在5V以內(nèi)，Li2FeSiO4材料的充放電電位在5V以內(nèi)，而且該材料有良好的可逆性和循環(huán)性[6]。Li2FeSiO4材料的理論容量是166mAhg，在金屬鋰的放電電壓大約為2.76V，該材料組成的電池在