高性能锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究,汇,报告人：刘盛终,指导老师,：,单忠强,化工,学院,应用化学,专业,目录,1,2,3,4,课题背景,锂离子电池反应机理,国内外研究动态,研究内容以及方案,课题背景,1970,年埃克森的,M.S.Whittingham,采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池,，被广泛应用于军事和小型民用电器等领域。,1980,年，,Armand,率先,提出,锂蓄电池负极不再采用金属锂，而是正负极均采用能让锂离子自由脱嵌的活性物质,TiS,2,。,从此以后,，,锂离子电池得到了迅猛的发展。,1990,年日本的索尼,(Sony),公司率先开发了首个商用锂离子电池，随后革新了电子产品的新面貌，它是把锂离子嵌入碳中形成负极，取代传统锂原电池的金属锂或锂合金作负极。,二十世纪九十年代初期，锂离子蓄电池开始实现商品化,。,二十世纪九十年代末期，聚合物锂离子电池开始实现商品化。聚合物锂离子电池是一种全新结构的锂离子电池。,发展历史,课题背景,应用实例,奔驰,S400 Hybrid,，世界首款量产的锂离子电池混合动力豪华轿车，并且,S400,是车厂第一款采用锂电池的大规模量产车型。,Thinkpad,笔记本电池，现在笔记本电池大多采用锂电池。,锂离子电池反应机理,正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。,负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子插入。,锂离子电池本质是浓差电池！,锂离子电池优势,能量密度高,，,单位体积存储能量较高,。,输出电压高（约为,3.6 V-3.8 V,）。,自放电小。,质量小。,无记忆效应。,可以快速充放电，节约时间，有利于电动汽车的推广。,绿色环保。,整个生产过程是在无水环境下进行。,国内外研究动态,近,10,年来主要有日本、韩国、美国、加拿大及国内的浙江大学、哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、华东理工大学等高校对锂离子电池负极材料进行了广泛的研究。,对锂离子电池负极材料的研究主要包含以下几类：碳基负极材料、钛基负极材料、过渡族金属氧化物负极材料、锡基负极材料、硅基负极材料。,碳基负极材料,常见的碳基负极材料有：石墨、硬碳、软碳等。对碳基材料进行改性的方法常有：机械研磨、表面包覆、表而氧化、掺杂等。碳基材料首次充放电效率高、导电性好、不可逆容量低、电极电势较低且价格低廉来源广。但碳基材料比容量低难以满足现在越来越高的能量需求。,钛基负极材料,常见的钛基负极材料为：,TiO,2,、,Li,4,Ti,5,O,12,。钛基材料的常见合成方法有：,水热合成法,、,溶胶,-,凝胶法,、,模板法,、,电化学阳极氧化法,、,液相沉淀法,、超声合成法等。,TiO,2,较高的嵌锂离子电位,(1.5,1.8 V),，可以避免锂枝晶的生成，然而,TiO,2,本身是半导体，导电性差；,Li,4,Ti,5,O,12,由于在嵌锂离子时具有零应变,(,体积变化约,0.2%),特性，具有较正的理论嵌锂离子电位,(1.55 V,，,vs.Li/Li,+,),，被认为是一种理想的锂离子电池负极材料；然而，,Li,4,Ti,5,O,12,导电性差，导致其大电流倍率性能差为提高材料的电子导电性，目前的研究主要集中在掺杂和表面修饰。,过渡族金属氧化物负极材料,晶格结构中间隙自由的,3d,过渡族金属氧化物,(M,x,O,y,M=Fe,、,Co,、,Ni,、,Mn,、,Cu,等,),中,每个,3d,金属至少能够嵌入一个锂离子，因此，相比于石墨类负极材料具有较高的电化学容量。过渡族金属氧化物作为锂离子电池负极材料容量较高,循环性能良好,但由于嵌锂电位高,会降低电池的放电电压。,锡基负极材料,单质,Sn,负极材料循环时由于,Li,22,Sn,6,的形成导致负极出现明显的体积膨胀而粉化，单质,Sn,负极显示出非常差的循环性。近年为了改变锡基负极的性能，研究者们在改变材料的形貌和结构、掺杂、制备复合材料等方面做了大量研究。,硅基负极材料,硅的嵌脱锂电位较低,理论嵌锂容量高达,4200mAh/g,，,其在自然界含量非常丰富,价格低廉,是很有前途的负极材料。但是首次循环后,电极材料变为无定形态并且在嵌锂过程中经受各项同性的膨胀,容易出现粉化,导致充放电效率低,容量衰减迅速,因而循环性能较差。今年来国内外学者主要在硅表面处理、硅纳米化、与碳复合、与非活性金属掺杂以及与活性金属掺杂方面做了很多研究。,研究内容以及方案,需要,解决的问题,a),硅负极方面：,1,（,减缓体积膨胀,）,电化学储锂时，由于硅原子结合锂原子得到合金相的过程对应的材料体积变化大（,400%,）引起的电极可逆容量的迅速衰减。,2.,（,提高导电性,）,硅导电性很差，其本征电导率很低，仅为,6.710,-4,S/cm,。,b)TiO,2,负极方面,：,（,提高导电率，减缓容量衰减,）,TiO,2,较低的电子导电率,(10,-12,-10,-7,S/cm),导致当,Li,+,嵌入,TiO,2,内层晶格后，在,TiO,2,表面难以形成有效地电场，故,Li,+,无法有效地脱出，从而使容量迅速衰减。,a),硅基负极方面,1,、采用钯活化的方法敏化活化硅表面，找到最佳活化敏化条件；,2,、不断摸索和调整工艺，采用化学镀的方法在硅表面沉积,Sn,，寻找到最佳化学镀条件：,PH,、温度、主盐浓度等；,3,、对纳米硅进行化学镀时出现严重的团聚现象，采用添加表面活性剂的方法减缓团聚现象；,4,、沉积不同量的,Sn,，对比电池性能，制备最佳,Sn,含量的,Si,负极。,b)TiO,2,负极方面,1.,采用化学镀的方法在合成的,TiO,2,上掺杂,Sn,，寻找最佳化学镀条件；,2.,改变水热合成,TiO,2,的条件，掺杂,Sn,，找到最佳掺杂条件；,3.,对比两种掺杂,Sn,的,TiO,2,负极材料性能，找出简单易行的合成条件。,研究内容以及方案,解决方案,之前工作,1.,重复出文献中以采用,HDA,、,TTIP,为原料、乙醇为溶剂合成,TiO,2,纳米微孔球的方法，并测试了其电池性能。,铜片上化学镀,Sn,出现了镀层不均匀的情况。,2.,完成了从铜片,普通载玻片,TiO,2,粉末上化学镀,Sn,的工艺。,TiO,2,粉末上化学镀,Sn,无法确定,Sn,是否均匀包覆在,TiO,2,表面。,正在进行的工作,1.,往制得的球形微孔,TiO,2,上面采用浸泡的方法掺杂,Sn,。,2.,完善在粉末上化学镀,Sn,工艺，使,Sn,包覆粉体更均匀。,3.,将制得的,TiO,2,-Sn,粉末装成电池，测试其性能。,往后工作,1.,纳米,Si,粉体化学镀,Sn,，并保持其晶型。,2,对比不同,Sn,含量对,Si-Sn,负极性能影响，寻找最佳,Sn,含量。,3.,工艺稳定。,谢谢聆听,