开题报告—锂离子电池正极材料研究

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1、开题报告—锂离子电池正极材料研究立论依据—锂离子电池的发展随着电子、信息产业的发展，小型分离的移动电源的需求迅速增加，特别是，近年数码相机、移动电话、笔记本电脑、电动车、军用设备以及航空航天技术的快速发展，要求电池能够反复使用、容量大、重量轻。促进研究具有工作电压高、能量密度高、安全性能好、循环寿命长、无污染、无记忆效应等优点的二次电池。常用的二次电池有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池，已经历了近150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品

2、种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，具有质量安全、稳定，可靠性高，维护简单，使用寿命较长等优点，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内部抵制力小，内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。在电池充放电的过程中（放电较为明显）

3、，会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。此外，镉是有毒的，因而镍镉电池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。锂离子电池是继铅酸电池、镍镉电池以及镍氢电池之后新一代二次电池，具有工作电压高、容量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污

4、染及工作温度范围宽等显著优点，是高容量、大功率电池的理想之选。自问世以来已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备以及电动汽车中，预计在未来的航空航天领域、人造卫星以及区域电子综合信息系统等诸多领域中，大容量的锂离子电池将会在能源技术方面得到广泛应用。提供大量自由“脱嵌/嵌入”锂离子的正极材料对于提高锂离子电池的工作电压、比能量、循环寿命等电化学性能至关重要。理想的锂离子电池正极材料应满足以下要求：(1)有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；(2)锂离子能够在正极材料中大量的可逆地

5、脱嵌，以保证电池有高的充放电容量；(3)在锂离子嵌入／脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或少发生变化，以保证电池良好的循环性能；(4)氧化还原电位在锂离子的嵌入／脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；(5)有较高的电导率和较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；(6)在电解液中化学稳定性好，不与电解质等发生化学反应，溶解度低；(7)从实用角度出发，原料来源广泛，材料的制备较容易；(8)从商业和环保的角度出发，正极材料应价格便宜，对环境无污染。当

6、前的锂离子电池正极材料主要由过渡金属的嵌锂化合物组成，根据锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同，大致可以分为一维隧道结构正极材料（如LiFePO4等）、二维层状结构正极材料（如LiCoO2、Li1+xV3O8、Li2FeSiO4等）和三维框架结构正极材料（如LiMn2O4、Li3V2(PO4)3等）。一维隧道结构正极材料主要是安全性好，但其导电率低，高倍率放电性能差。三维框架结构正极材料的主要特点是高倍率充放电性能好，比容量较大，但是循环稳定性较差，衰减较为严重。已经广泛商业化的二维层状结构正极材料L

7、iMnO2在电化学性能方面比较优越，缺点是热稳定性能较差。Li2MSiO4正极材料由于价格低廉、理论比容量大等优势受到研究人员的关注。现有正极材料的改性和新型正极材料的研发是提高锂离子电池电化学性能的重要途径。文献综述—锂离子电池正极材料的研究现状Li2MSiO4的结构特征以Li2FeSiO4为例，Li2FeSiO4的结构复杂，合成纯相材料非常困难，目前对该材料的晶体结构仍然存在较大争议，AntonNytén[1]通过XRD（X-rayDiffraction）确定晶胞参数：a=6.2661(5)Å，

8、b=5.3295(5)Å，c=5.0148(4)Å，属于正交晶系Pmn21空间群，但是有几个衍射峰没有明确。在Li2FeSiO4材料中，所有原子以四面体配位的形式存在晶体结构中，其中氧原子以正四面体紧密堆积的方式排列，Fe、Si和Li各自处于氧原子的四面体中心位置，和周围的4个氧原子分别形成FeO4、SiO4和LiO4四面体结构，和ab平面平行的波状的[SiFeO4]层沿着c轴方向通过LiO4四面体连接形成Li2FeSiO4完整结构，[SiFeO4]层内每个SiO4四