锂离子电池碳负极材料之合成及特性表征

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1、锂离子电池碳负极材料之合成及特性表征第一章绪论1.1引言环境污染和能源危机是当前人类社会所面临的两大难题，要保持经济的可持续发展，维持生态平衡，就必须彻底解决能源问题，找高效，环保，可持续的新能源体系。新能源（如核能，氢能，太阳能，风能.洲汝能，地热能等）新能源技术，环境技术的开发和综合合理高效的利用新能源成为一项关系到人类社会可持续发展的课题。由于资源的日益匮乏，二次电池成为化学电源最主要的发展类型。锂离子电池正是在此基础上应运而生的一种高容量二次化学电源。与其他几种传统的二次电池相比，裡离子电池具有能量密度高，输出电压高，自放电低

2、，无记忆效应和环境友好等优点而备受关注（如图1.1所示）。锂离子电池由于具有自锂离子二次电池实现商品化以来，已被广泛应用到移动、笔记本电脑、MP3、iPod、摄录像机等便携式电子设备，军事工业，航空航天等领域，而其作为发动机替代部件，在电动领域潜在而广大的应用前景，世界各国竞相研制和幵发高比能量，价格便宜，安全可靠地新一代动力锂离子电池。我国科技部也己确定锂离子电池为车用首选动力之一，并加大了有关专项研究经费的投入力度。1.2锂离子电池简介1.2.1锂离子电池发展简史电池的发展最早可以追溯到200年前。早在1800年意大利科学家伏打（

3、Volta)研制成了伏打电池，人们才真正对电池的工作原理有了科学的理解。这也是世界上第一个能够实际应用的电池。1836年丹尼尔发明了丹尼尔电池；1839年Grove提出了锌-空气电池；1859年法国的科学家普兰特（Plante)发明了铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池。锂离子电池是在锂二次电池基础上发展起来的新型二次电池。20世纪60年代，由于锂是Q然界中标准电位最负（-3.045V)，质量最轻（6.939g/mol),比容量最高(3860mAh/g)的金属，设计以金属为电极的储能电池将具有比能量大、电压高、放电电压平稳等优点2

4、0世纪70年代金属锂一次电池的成功应用，引发并推进了裡金属二次电池的研制。1972年，Exxon公司首先推出了以金属锂为负极，TiSz为正极的金属锂二次电池。然而，由于金属锂在充放电过程中会在电极表面不均匀沉积，形成枝晶，刺穿隔膜使电池内部短路大量发热，导致严重的安全问题。此后，围绕如何解决锂二次电池安全性问题进行了长期不懈的研究，但这种金属锂二次电池最终没有实现商品化。70年代末，法国的Armand等人先后提出了两种解决途径：（1)采用聚合物固体电解质，它不与锂发生反应，可制备全固态锂金属二次电池(2)采用很低电压就能使锂离子嵌入脱

5、出的材料来代替金属锂，从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的锂离子二次电池根据第二条解决途径，1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦为负极，LiCo02为正极的裡离子二次电池。锂离子电池的出现是二次电池历史上的一次飞跃，在随后的10佘年小，商业化进程取得了突飞猛进的发展。与传统的二次电池如镇镉、银级、铅酸电池等相比，锂离子电池具有十分突出的优点：（1)输出电压高，采用低嵌锂屯位村料作负极，高嵌锂电位材料作正极，单体电池输出电压达3.6-3.8V;(2)能量密度商；(3)安全性能高，循环寿命长。采用嵌锂化合物作正负极，在充放电

6、过程屮，锂以离子形态嵌脱，避免了金属锂枝晶的产生；（4)自放电小。首次充放电过程中在电极表面形成固体电解质界面（Solid-electrolyteinterface,SEI)膜，允许离子通过但不允许电子通过，因此可以较好的阻止自放电；（5)可快速充放电，无记忆效应;(6)环境友好。它以其特有的性能优势已在便携式电子产品如移动、笔记木电脑、MP3、iPod、摄录像机等中得到普遍应用。这些年开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用并推广，预计在本世纪20-30年代将成为电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到

7、普遍应用。目前，锂离子电池在动力汽车（EV)、化学储能、军事以及航空航天领域的应用开发也已经全面启动，许多国家都以政府的形式支持锂离子电池的研究。未来，锂离子电池将会朝着高能量、大功率、长寿命、低成本的方向发展。在这个过程中，除了制造工艺等的技术创新，最根本的还在于电池设计与电池材料的革新。电池中每一部件的技术突破都会带来电池性能的飞跃。第二章试剂和实验技术2.1实验用的主要药品与仪器扫描电镜是一种直观了解样品表面形貌的手段。通过SEM技术，可以清楚地观测到电极材料的微观结构。在中等放大倍数的情况下，可以观察材料的表面结构。在高倍放大

8、倍数的情况下，可以了解内部结构的均勾性、孔径大小等。通过SEM图像，可以清楚、直观地获得待测电极材料的微观形貌结构。本文屮样品的表面形貌观察在JEOLJSM-6390型扫描电子显微镜上进行。透射电子显微镜是一种比扫描电子