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1、锂离子电池负极材料的制备及锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究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1234课题背景课题背景锂离子电池反应机理锂离子电池反应机理国内外研究动态国内外研究动态研究内容以及方案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TiS2。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
2、)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
3、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
4、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：TiO2、Li4Ti5O12。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。TiO2 较高的嵌锂离子电位(1.51.8 V)，可以避免锂枝晶的生成，然而TiO2本身是半导体，导电性差；Li4Ti5O12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+)
5、，被认为是一种理想的锂离子电池负极材料；然而，Li4Ti5O12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(MxOy,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Li22Sn6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
6、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%）
7、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6.710-4S/cm。b)TiO2负极方面：（提高导电率，减缓容量衰减）TiO2较低的电子导电率(10-12-10-7S/cm)导致当 Li+嵌入TiO2内层晶格后，在 TiO2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
8、不同量的Sn，对比电池性能，制备最佳Sn含量的Si负极。b)TiO2负极方面1.采用化学镀的方法在合成的TiO2上掺杂Sn，寻找最佳化学镀条件；2.改变水热合成TiO2的条件，掺杂Sn，找到最佳掺杂条件；3.对比两种掺杂Sn的TiO2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TiO2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TiO2粉末上化学镀Sn的工艺。TiO2粉末上化学镀Sn 无法确定Sn是否均匀包覆在TiO2表面。正在进行的工作1.往制得的球形微孔TiO2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TiO2-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
高性能锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究课件
