多孔三元正极材料开题报告.docx

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1、多孔三元正极材料开题报告一、本课题设计(争论)的目的:1. 了解三元正极材料的特点。2. 明白三元正极材料的用途和应用前景。3. 了解多孔三元正极材料的制备方法、工艺原理以及根本设备。4. 学会多孔三元正极材料的制备与表征时所承受的方法。5. 了解多孔三元正极材料的构造、形貌、电化学性能，具备根本的数据整理和分析力量。6. 留意考察合成条件(烧结时间、烧结温度温度及烧成条件)对所合成材料的形貌、构造，及电化学性能的影响。7. 承受综合热、比外表积测试仪、X 衍射仪、扫描电镜、粒度、比外表积等进展表征。二、设计(争论)现状和进展趋势(文献综述)1. 引言随着社会的不断进展，人类面临着越来越严峻的

2、环境污染与能源枯竭问题，煤炭、石油、自然气等传统能源已经远远不能满足经济进展的要求，所以查找的能源迫在眉睫。进展能源材料是 21 世纪急需解决的重大争论课题。实现资源和能源充分利用又能减轻环境负担,是我们要承受的重大考验。化学电源是一种将化学能和电能相互转化变储存的装置，在我们日常的生活中，电子产品已变为一个重要的组成局部，对电池性能要求也变得越来越高，传统的镍镉电池、铅酸电池等因存在很多问题，已经不能很好地满足市场的需求。电池可以分为一次性电池和二次性电池。锂离子二次电池一种型的化学电 源，具有高能量、高电压、内阻小、体积小、寿命长、自放电小、无记忆效应等特点，被称为“绿色环保电源”。结合当

3、今社会的进展对型电器的要求，锂离子二次电池凭借高电容性能和高能量密度成为能源争论的一个重要方向，且争论工作也正在如火如荼的开展中。电池材料的进展关乎锂离子电池的进展，如正极材料比容量提高 50%，电池的功率密度则会提高 28%。由此可知,电池正极材料和其前驱体材料对锂离子电池的性能起着关键作用，因而成为争论的热点。目前，众多的正极体系材料中，最有可能替代传统 LiCoO 材料的锂离子电池三元正 2极材料有着巨大的进展潜力,它具有比 LiCoO 更优异的构造稳定性，电化学性能，循环 2稳定性能和使用安全性能，而且三元正极材料中的 Ni, Mn 取代了三分之二的Co，由于 Ni,Mn 的价格都比

4、Co 低廉很多,所以可以大大降低材料的本钱，这也为三元正极材料能够广泛使用供给了有利的条件。2. 锂离子电池简介锂离子电池指的是以锂离子嵌入化合物作为正极材料的电池的总称。常用的锂离子电池由正极、隔膜 、负极、有机电解液及电池外壳五局部构成。锂离子电池以含锂的化合物作为正极，以碳素材料作为负极，并没有金属锂， 只有锂离子存在。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子嵌入和脱嵌的过程。在锂离子嵌入和脱嵌的过程中，伴随着与锂离子等当量的电子嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极间来回插入-脱插和嵌入-脱嵌，因此被称为“摇椅电池”。图 1 锂离子电池工作原理当电池充电时，在电池的正极有锂离子生成，生

5、成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状构造，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进展放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。一般锂电池的充电电流在 0.2 安至 1 安之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，由于电池内部的电化学反响需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。3 . 三元正极材料的制备(共沉淀法)在传统锂离子电池正极材料中，LiCoO 中的 Co 属于稀有资源，价格昂贵，而且 2金属

6、钴会对环境产生极大的危害。而 LiNiO 的稳定性差，简洁导致安全问题， 并且需 2要在氧气气氛下合成。锰系正极材料虽然价格低廉，资源丰富，分布广泛，但是层状 LiMnO 是一种热力学不稳定材料，虽容量高，但在充放电过程中，层状构造会转变成 2尖晶石型构造，导致比容量衰减快，电化学性能不稳定。LiMnO 在循环过程中简洁发 24生晶型转变以及锰离子的溶解和 Jahn-Teller 效应，导致电池容量衰。LiFePO 可称为零 4 污染正极材料，由于其在价格廉价和高安全性方面的优势，而倍受重视，近年来，该材料得到广泛争论和应用，但该材料电导率低，且振实密度小，因而，其应用领域照旧受到很大限制。综

7、合 LiCoO ,LiNiO, LiMnO 三种锂离子电池正极材料的优点，可以依据不同比222例，由镍钴锰三种金属元素组成的的复合型过渡金属氧化物，用通 LiNi1-x- yCoxMnyO2 来表示。自从 1999 年以来，主要是日本的 Ohzuku 争论组和加拿大的Dahn 争论组在这种三元正极材料上做了很多的争论工作。对于如何综合三种过渡金属元素各自的优势，有效抑制其负面效应，使它们的性能得到最大程度的优化， 仍旧有很多问题需要解决。目前比较普遍的做法是将 Ni/Mn 两种金属元素的摩尔比固定为 1:1，以维持三元过渡金属氧化物的价态平衡，然后再调整它们与 Co 元素的比例，在平衡性能和本

8、钱的根底上，优化组成。现在文献中最常见的组成是LiNiCoMnO 三元正极材料。 1/31/31/32制备方法对于锂离子电池材料的性能影响很大。目前用于三元材料的制备方法主要有高温固相法、共沉淀法、溶胶凝胶法、喷雾热解法、微波合成法、微乳液 法、合金电解法、金属醋酸盐分解合成法等，这里，我们主要介绍通过共沉淀法制备锂离子电池三元正极材料。共沉淀法是以适当的物质为沉淀剂,将金属盐溶液中的金属离子完全沉淀出来的一种方法。按沉淀剂不同,共沉淀法可分为氧氧化物共沉淀法，碳酸盐共沉淀法和草酸盐共沉淀法等。3.1 氢氧化物共沉淀法氢氧化物共沉淀法制备的前驱体球形度较好，颗粒粒径小且粒度分布窄。Matthi

9、as Jahn 等争论说明，固体含量高有助于颗粒的球形化，削减了颗粒的空隙，提高了材料,1 的振实密度，沉淀产物具有较大的比外表积，固体悬浮物的浓度至少为225g?L，最正确,1 的固体悬浮物的浓度是 300 g?L。M-H.Lee 等对 PH 值,配位剂氨水浓度,搅拌速度做了,1 优化争论.掌握温度为 60C,PH 为 11,12，搅拌速度为 1000r?min，泵入浓度为,110.36mol?L 的氨水和 的 2mol?L 氢氧化钠。反响 12h 后得到呈球形颗粒的前驱体产物，将该前驱体与氢氧化锂混合热处理后制备的 LiNiCoMnO，在2.8,4.3V 的电压下 1/31/31/32,1

10、1 首次放电比容量为 160mAh?g，55?首次放电比容量为 168mAh?g。但 Mn(OH) 很容 2 易氧化成 MnOOH 或 MnO，然后形成两种物相，造成组分的不均匀，针对上述缺点，2主要改进手段为在密闭的容器中通入保护气，如氮气或参加复原剂。目前，用氢氧化物,1 共沉淀法制备 LiNiCoMnO 在 3.04.3V，电流密度为 16mA?g 时，首次最高的放 1/31/31/32,1 电比容量为 166.99mAh?g，30 次后的循环保持率为 93,。3.2 碳酸盐共沉淀法碳酸盐共沉淀法可以承受 NaCO、(NH)C0、NHHCO 或 NaHCO 等为沉淀剂， 23423433

11、2+该法在制备前驱体的过程中，由于 Mn 不会被氧体，无需气体保护。Deng 等争论了碳酸盐沉淀过程中不同沉淀剂 NaCO、(NH)C0 和 NaHCO 的使用对234233LiNiCoMnO 颗粒形貌和电化学能的影响。结果显示,承受(NH)C0 为沉淀剂制 1/31/31/32423 备的材料具有较好的球形形貌和电化学性能。Park 等以过渡金属硫酸盐溶液为原料，NaCO 为沉淀剂，NHHO 为配位剂，掌握肯定反响温度、搜拌速率和 pH 值制备球形 233?2NiCoMnCO，将碳酸盐在 500 ?热处理 5 h 得到NiCoMnO 氧化物,然后1/31/31/331/31/31/34 将其

12、与锂盐混合培烧制备球形 LiNiCoMnO。结果说明,材料的构造和形貌对其高 1/31/31/32倍率放电性能的影响显著。3.3 草酸盐共沉淀草酸盐共沉淀是以 HCO 或(NH)CO 等为沉淀剂的一种共沉淀方法。Cho 等以2244224(NH)CO 为沉淀剂,在惰性气体保护下,将过渡金属硝酸盐溶液和(NH)CO 并流参加 42244224 反响器中,掌握反响温度为 60 ?，加氨水掌握反响 pH 值为 8.5，制备LiNiCoMnCO 前驱体,然后将前驱体与肯定的锂盐混合后烧结得到 1/31/31/324LiNiCoMnO 产物。争论结果说明,材料的倍率性能主要受材料本身颗粒大小和比 1/3

13、1/31/32,1 外表积的影响。最优条件下制各的样品在电压范围为 3.04.5V,电流密度为40 mA?g 下，,1 首次放电比容量达 178.6 mAh?g。Zhang 等以 NiCl?6H0.，CoCl?6H0、MnCl4HO 和 222222HCOHO 为原料，掌握肯定的反响温度、搅拌速率和 pH 值，制备出 2242NiCoMnCO 前驱体,然后与适量的 Li0H?HO 球磨混合,再高温焙烧制备出1/31/31/3242LiNiCoMnO。结果显示,900 ?C 制备的材料具有最优的电化学性能，0.1C 倍率下，1/31/31/32,12.75,4.50 V 之间，首次放电比容量达

14、196.9 mAh?g。另外，为了获得效率更高，更加环保的三元正极材料，需要对三元正极材料进展不断的改进，其中一种就是把三元正极材料做成多孔形貌，这样增大了材料的比外表积，可以大大提高化学反响中的能量释放。4. 多孔三元正极材料的制备及争论现状含肯定数量孔洞的固体叫多孔材料，是一种由相互贯穿或封闭的孔洞构成网络构造的材料，孔洞的边界或外表由支柱或平板构成。多孔材料有多孔金属材料，多孔陶瓷，多孔碳材料等。多孔金属材料的一种用途是作电极材料。各种蓄电池、燃料电池、空气电池中都用多孔镍作电极，井要求孔隙率尽可能高。氢镍、镉镍等二次碱性电池在高技术和一般民用领域中不断提出高能量密度、长寿命和低本钱的要

15、求。致使传统的烧结镍基板受到挑战。轻质高孔率的发泡沫基板和纤维基板等多孔金属材料与传统烧结基板材料相比，可使镍材消耗降低约一 半，极板质量削减 12, 左右，并太大提高能量密度。4.1 电沉积法目前，在国内外普遍承受该法大规模制备高孔隙率的金属，其产品不但孔率高(达 80,99,)(而且孔构造分布均匀。孔隙相互连通。该法以高孔率开口构造为基体，一般承受三维网状的有机泡沫(常用的有聚氨基甲酸乙酯(包括聚醚氨基甲酸乙酯泡沫和聚脂氨基甲酸乙酯泡沫)，聚脂、烯聚合物(如聚丙烯或聚乙烯)、乙烯基和苯乙烯聚合物及聚酰胺等。也可承受纤维毡等。主要过程分基材预处理、导电化处理、电镀和复原烧结 4 步。首先应将

16、基体材料进展碱(或酸)溶液处理，以除油、外表粗化和消退闭孔(然后清洗干净。导电化处理可用蒸镀、离子镀、溅射、化学镀、涂覆导电胶、涂覆导电树脂和涂覆金属粉末等。电镀过程可按常规的成熟电镀工艺。对不导电的发泡体经外表导电处理后的电镀。复原烧结过程既可将电镀好的多孔复合体直接在复原性气氛中热解有机基体并烧结金属构造而得到多孔金属材料(也可先将电镀好的多孔复合体先在空气中烧除有机基体，再将所得附氧化层的多孔金属体置于复原性气氛中复原烧结。4.2 氧化物复原烧结法在氧化气氛中加热金属氧化物猎取可透气的多孔可复原金属氧化物烧体(再于复原气氛中在低于金属或合金的熔点温度下复原上述烧结体(最终得到开口多孔金属

17、体。金属氧化物可由 Ni、Mo，Fe、Cu、Co 或 W 等形成。目前，对金属多孔材料争论对象主要是多孔铝，应当在争论多孔铝的根底上， 进一步争论其他种类的金属材料，特别是高熔点金属为基体的金属多孔材料，如多孔 Ni、Ti 等。需争论适合工业推广应用的制备方法，制定出正确的生产工艺规程，以获得高性能的金属多孔材料;还要不断探究准确掌握多孔金属的孔径的方 法、并对影响气孔分布、大小、外形的因素进展系统深入的争论分析。金属多孔材料性能方面的争论还需不断深入，没有一套系统的应用理论或数学模型，尤其力学性能的争论多数只是单轴抗压力一应变的试验结果报告，有待于进一步争论其作用机制。另外对多轴弯曲后的行为

18、一疲乏、蠕变、断裂等方面的力学性能争论国外只少量报道，国内在这方面的报道更少，而这方面的根底争论明显会推动多孔泡沫金属制备方法的进一步完善，开发其的功能拓宽其应用领域，为此应加强这方面的争论。三、 设计(争论)的重点与难点，拟承受的途径(争论手段) 1.重点(1)争论烧成条件对三元正极材料构造及形貌的作用规律; (2)争论不同烧成条件对三元正极材料孔隙率的影响;(3)本课题拟承受氧化物烧结法制备多孔三元正极材料，了解有关氧化物烧结法的相关学问。2. 难点(1) 掌握用氧化复原法制备多孔三元正极材料时影响它们的外界因素和本身的因素;(2) 在表征多孔三元正极材料时的一些技术性问题;(3) 如何在

19、制备多孔三元正极材料的过程中选择一个最正确的方案，从而到达最好的效果。3. 争论手段使用热重分析(TGA) 、X 射线衍射(XRD) 、扫描电镜(SEM)、粒度、比外表积等分析手段对所获得的前驱体以及煅烧后的粉末进展了表征;4. 试验打算(1) 枯燥好前驱体样品(2) 取肯定量的样品，对样品进展热重，XRD 分析，并进展粒度测试(3) 在空气气氛下分别掌握温度为 150,200，250，300，350?，对前驱体煅烧，升温速率为 3?/Min，保温 2 小时，之后冷却至常温，再通过 XRD 测试测定样品的构造，扫描电镜测定样品形貌特征。(4) 通过比照，选出形貌和电化学性能最好的样品，确定试验

20、温度，然后在该温度下，分别掌握保温时间为 1，1.5，2，2.5 小时，对前驱体煅烧，之后冷却至常温，再通过 XRD 测试测定样品的构造，扫描电镜测定样品形貌特征。(5) 通过比照，选出最适宜的烧结时间。(6) 最终，确定出最适宜烧结温度和烧结时间。(7) 在确定好的烧结温度，和烧结时间条件下，在氧气气氛中烧结，然后和空气气氛中烧结的样品进展比照。四、设计(争论)进度打算:1 生疏课题任务，查阅国内外文献资料。 第 3 周2 完成开题报告(包括文献综述、课题争论方向论证、争论思路、完成打算)、英翻译等。 第 4-5 周3 设计试验方案，进展配方和原料预备 。 第 5-6 周4 进展试验，分别在

21、不同反响烧结温度，烧结时间和烧结条件下，制备出相应的多孔三元正极材料。 第 6-13 周6 数据分析，撰写争论论文，论文计算机录入、编辑及输出。 第 14 周7 论文完善、文档整理及申请辩论资格，预备辩论。 第 15 周8 总结及进展毕业辩论，提交论文资料。 第 17 周 五(参考文献1 李芬芬，烧结法制备金属多孔材料J.金属功能材料,2023(05)2 刘培生，黄林国. 多孔金属材料制备方法J. 功能材料. 2023(01)3 梁永仁，金属多孔材料应用及制备的争论进展J.稀有金属材料与工程， 2023(S2)4 黄过涛，多孔金属过滤材料争论进展J.材料导报，2023(S2)5 郭晓健，锂离子

22、电池正极材料 LiNiMnCoO 的合成及电化学性能争论J .x1/31/31/32电化学，2023(03)6 郭瑞，高温固相法合成 LiNiMnCoO 及其性能争论J .无极化学学报， 20231/31/31/32(08)7 李奇峰，LiNiCoMnO 正极材料的争论进展J.电源技术，2023(05) 1/31/31/328 张国正，煅烧温度对锂离子电池正极材料 LiNiCoMnO 的影响争论J .1/31/31/32 石油化工应用，2023(04)9 张，多孔构造 LiV(PO)/C 正极材料的制备及电化学性能J .电源技术，32432023(05)10 王玲，锂离子电池正极材料的争论进展

23、J.硅酸盐通报，2023(01)11 刘璐，锂离子电池的工作原理及其主要材料J.科技信息，2023(23)12 徐群杰，锂离子电池三元正极材料Li-Ni-Co-Mn-O的争论进展J .上海电力学院学报，2023(02)13 王健，钟胜奎，刘乐通. 锂离子电池正极材料 LiNiCoMnO 的争论进展1/31/31/32J. .化工型材料. 2023(09)14 蒲俊红，陈猛，徐宇虹. 正极材料 LiMnCoNiO 的性能争论J.电 0.5- x0.5-x2x2 池. 2023(02)15 闻雷，其鲁，徐国祥.层状 LiNiMnCoO 正极材料的合成J .北京大学学1/31/31/32报(自然科学版). 2023(S1)16 李义兵，陈白珍，徐徽，石西昌，胡拥军，陈亚. Li(MnNiCo)MO1/31/31/31-yy2(M=Al,Mg,Ti)正极材料的制备及性能J. 中国有色金属学报. 2023(08)17 刘环，李永梅，姚耀春，魏钦帅，戴永年，范晏珉. 锂离子电池正极材料 LiCoMnNiO 的制备与性能争论J . 化学工业与工程. 2023(01) 1/31/31/32指导教师意见签名:月 日 教研室(学术小组)意见教研室主任(学术小组长)(签章): 月 日