化学工程与工艺专业 毕业论文终稿-锂离子电池合金负极材料研究.doc

1、 中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文）锂离子电池合金负极材料研究姓 名： 学 号： 性 别： 专 业: 化学工程与工艺 年 级： 学习中心： 指导教师： 2022年2月28日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）锂离子电池合金负极材料研究摘 要锂离子电池是一种新型的化学电池，它无记忆、无污染、循环寿命长，能够满足轻量化和环保的要求。而锂离子电池电化学性能的关键是电极材料。目前多以石墨和各种碳材料作为负极材料，后来又研究出了硅基、锡基合金等负极材料，负极材料的研究对于提升锂离子电池的性能起着很重要的作用，也是研究的重点。本文以锂离子电池合金负极材料研究为课题，通过文献

2、资料法和试验法进行研究。分析锂离子电池的发展历史，负极材料的特点，进行锂离子负极材料简介，包括碳类、硅类、锡类等负极材料，进而以纯硅/石墨合金材料为例，进行纯硅/石墨合金负极材料的制备，分析材料的结构与性能表征方法，对不同掺杂比进行分析。锂离子电池负极材料的开发是锂离子电池质量的关键，发展潜力巨大。关键词：锂离子电池；合金；负极材料iv目 录第一章 绪 论11.1 引 言11.2 锂离子电池的特点11.2.1 锂离子电池的优缺点11.2.2 锂离子电池负极材料的特点21.3 锂离子电池的结构与工作原理21.3.1 锂离子电池的结构21.3.2 锂离子电池的工作原理2第二章 锂离子电池负极材料简

3、介42.1 碳类负极材料42.2 硅类负极材料42.3 锡基类负极材料42.4 钛基类负极材料52.5 新型纳米复合材料5第三章 纯硅/石墨合金材料的制备63.1 实验材料与仪器63.1.1 实验材料63.1.2 实验仪器63.2 电极材料的制备和电池装配73.2.1 纯硅/石墨合金材料的制备73.2.2 准晶合金的制备73.2.3 电极片的制备83.2.4 扣式电池的装配83.3 材料的结构与性能表征方法83.3.1 组成与结构表征方法83.3.2 电化学性能表征方法9第四章 硅/石墨合金负极材料的研究104.1 不同掺杂比的硅/石墨SEM图像及分析104.2 不同惨杂比的硅/石墨RD图像及

4、分析114.3 不同掺杂比的硅/石墨充放电曲线及分析124.4 小结13第五章 准晶合金负极材料的研究145.1 准晶合金材料的组成与结构分析145.1.1 准晶合金材料的XRD分析145.1.2 准晶合金材料的XRD分析155.1.3 热处理后的SEM分析165.2 准晶合金材料的电化学性能分析175.2.1 不同放电倍率下的电性能分析175.2.2 材料的库伦效率分析185.3 小结19第六章 结 论20参考文献21致 谢22第一章 绪 论1.1 引 言锂离子电池是当前应用最广泛的可充电电池，在电池的电极材料中含有锂元素，在进行充放电的时候，锂离子会在正负极之间相互移动。锂单质失去电子后会

5、变成锂离子，然后从负极材料中脱离通过电解质进入到正极，在正极得到电子形成锂单质，嵌入到正极材料中，这就是放电的过程。充电的过程正好相反。锂具有非常活泼的化学性质，可以充当电子移动的载体，同时容量比较大。目前，电子设备所用的电池大多是锂离子电池。锂离子电池的开发带动了电子产品的革新，促进了电子行业的发展。1.2 锂离子电池的特点1.2.1 锂离子电池的优缺点（1）自放电比较少。电池普遍存在自放电现象，自放电越多，能够提供给外界的能量就越少。必须要控制好电池的内耗，提高供电能力。（2）开路电压高。这就表示电池能够支撑功率比较大的电器或是耗电比较快的电器。（3）循环寿命长。锂电池能够进行多次的充电和

6、放电，而且在充放电的过程中性能不会出现明显下降的状况。（4）比容量比较大。这就意味着单位质量或是体积内能够储存更多的电量。锂离子在比容量方面非常有优势，可以实现轻便化。（5）环保无污染。原来的镍电池、汞电池等环境污染非常严重。随着环保的重视，给了锂离子电池广阔的发展空间1。1.2.2 锂离子电池负极材料的特点负极材料必须要具备以下特点，才能保证良好的性能。（1） 锂在嵌入负极材料时电位变化小，保证正负极能够产生电位差，输出的电压高；（2） 负极材料的锂比容量要大，能够进行多次循环，保证性能稳定；（3） 锂离子的扩散速度要快，保证锂不会造成沉积，负极电位不会发生大的变化；（4） 负极材料稳定性强

7、，保证在充放电的过程中反应不会过于剧烈，也保证产生的热量不会对电池造成损害；（5） 用来制作负极材料的锂价格相对低廉，工艺相对简单，对环境污染小2。1.3 锂离子电池的结构与工作原理1.3.1 锂离子电池的结构本文中用到的锂离子电池如图1-1所示。1.负极盖 2.负极丝网 3.负极锂片 4.电池隔膜5.密封胶圈 6.正极片 7.正极丝网 8.正极外壳图1-1 锂离子电池结构1.3.2 锂离子电池的工作原理在充电时，锂原子失去电子变成锂离子，从正极材料中脱落出来，通过电解质到达负极，然后获得电子后形成锂原子，负极的锂原子越来越多，导致正极和负极之间的电压差增大。而在放电的过程中，锂原子失去电子从

8、负极材料中脱落，通过电解质进入正极，在正极得到电子变成锂原子。在电子的得与失中产生了电流，锂离子的转化和移动就是充放电的本质。22第二章 锂离子电池负极材料简介锂离子电池的负极材料有很多种，以下介绍几种常用的负极材料。2.1 碳类负极材料碳类材料主要是石墨、无定形碳、碳微球，在这种结构中，碳原子有一个可以自由移动的电子，这是石墨能够作为负极的重要原因。无定形碳没有固定的周期和形状，属于过滤碳，碳微球是碳的一种，成本低，来源广，稳定性强，能够循环使用，比容量比较高。但是碳类材料做负极材料的比容量比较小，不能满足轻便化的要求。2.2 硅类负极材料硅类材料主要有硅单体，纳米硅，硅复合材料等。硅单体如

9、果不经过处理直接做负极材料会出现不可逆的体积效益，而且硅单体的价格比较高，会大大提高生产成本。硅薄膜对太阳光的反射性强，热性好，在太阳能电池研究方面比较热门。纳米硅是细化的硅单质，减小材料的直径，提高容量的大小3。目前对纳米硅已经进行了很多的实验，但还没有规模化和工业化。同时通过实验的方法制取纳米硅的效率低，成本高，会造成产品价格的上升。目前，加大了对复合材料的研究力度，但复合材料的效果并不好，循环性能比较差。现在很多研究倾向于对硅进行合金化，利用金属的延展性和导电性提高负极材料的导电性，提高循环能力。2.3 锡基类负极材料这类材料具有很大的容量，循环能力比较好。在研究中发现锡基材料用于电池的

10、负极具有容量大，污染小，成本低，易操作等特点，具有很大的发展潜力。单质锡的比容量比较大，在进行充放电的过程中，体积会发生很大的变化，很容易对电极造成破坏。虽然可以通过镀膜或是加入碳的方式解决上面的问题，但依然会限制它的发展。锡基氧化物用作负极材料具有成本比较低，操作过程简单，比容量比较高等优点。目前常用化学合成或是微波加热等方式进行氧化物的制备。锡基合金用作电池负极材料是研究的热点，在可逆容量以及循环性能上都有很好的效果。锡盐材料做负极材料也有很大的发展空间，它的循环性能比较好，但容量不可逆。2.4 钛基类负极材料钛基材料虽然在比容量方面有所欠缺，但稳定性比较好，循环性能强，安全性比较高。不少

11、研究对钛基材料进行改良，通过加入石墨类材料或是金属材料弥补存在的一些缺点，但在容量方面并没有获得大的提升，限制了钛基材料在负极中的发展。2.5 新型纳米复合材料主要是通过纳米的性质提高电池的循环性能。通过分析纳米硅材料发现，能够很好的应对体积效应，在一定程度上提高了比容量。但是纳米材料的成本比较高，而且产量低，在很大程度上限制了工业化生产。在对以上负极材料进行分析后发现，碳材料的容量低、硅材料的循环性能比较差、锡基材料的稳定性差、钛基材料的充放电比较差、新型纳米材料的成本高4。第三章 纯硅/石墨合金材料的制备3.1 实验材料与仪器3.1.1 实验材料在实验过程中需要用到的实验药品见表3-1。表

12、3-1 实验药品详情名称规格厂家纯铝99.99%金华市大恒铝业有限公司纯铁99.99%苏州亿振拓工业物资有限公司纯铜99.99%洛阳诚贞经贸有限公司铜箔电池级广东嘉元科技股份有限公司隔膜电池级上海恩捷新材料科技有限公司垫片电池级上海恩捷新材料科技有限公司扣式电池电池级常州金坛超创电池有限公司SBR（丁苯橡胶）化学纯山东远光环保科技有限公司电解液JN908北京创亚化工公司无水乙醇分析纯山东彦硕化工有限公司丙酮分析纯上海泰坦科技股份有限公司玻璃棒实验室用中山市古镇博典玻璃棒加工厂试管实验室用姜堰市华泰医疗器械厂无粉乳胶手套（中号） 医用广州市文睿科学仪器有限公司一次性无粉手套实验室用兰奇（天津）塑

13、胶有限公司3.1.2 实验仪器在实验过程中需要用到的实验药品见表3-2。表3-2 实验仪器详情名称型号厂家电子天平SK-111上海月梓电子科技有限公司行星式球磨机KQM-X4LAB莱步科技公司节能箱式电炉SX-GO4133洛阳飞云电器设备有限公司真空干燥箱DZF-6020南京修斌干燥设备厂磁力搅拌器CJJ78-1河南郑州南北仪器设备有限公司 X 射线衍射仪D/MAX-2500X丹东通达科技有限公司扫描电子显微镜JSM-6700F北京锐峰先科技术有限公司新威电池测试系统CT-3008W-5V50mA-S4深圳市新威尔电子有限公司3.2 电极材料的制备和电池装配3.2.1 纯硅/石墨合金材料的制备

14、在进行合金材料的制备时，经常会用到方法是机械球磨法。这种方法占用的空间比较小，操作比较简单，能够多组同时进行。主要是通过球体和物料之间的摩擦，让原子发生物理变化或是化学变化，然后得出需要的产物。但这种方法受到转速的影响，如果转速过快，导致温度过高，会产生其他的副反应，影响生成物的质量，需要进一步的处理提高生产效率。在实验的过程中，按照不同的比例进行掺杂，经过60个小时的合金处理后进行分析和比对5。3.2.2 准晶合金的制备采取熔炼的方式能够快速的达到熔炼金属的目的，减少副作用的产生。目前是一种比较成熟的方法，而且生产率比较高。本实验中，通过真空电炉通电的方式得到合金材料，然后进行一定的热处理和合金化处理，提高效果。3.2.3 电极片的制备电极片的制备需要以下步骤：（1） 将处理好的合金粉末、SBR、导电剂等按照一定的比例进行混合。需要注意的是，SBR每次仅需要0.03g左右就可以。用干净的小药匙添加导电剂时，必须轻拿轻放，防止洒落，或是造成用量过多。（2） 将蒸馏水按照1：1加入到混合料中，然后在搅拌器上搅拌40分钟左右，然后准备下一步操作。（3） 将铜箔裁剪成若干片10cmX5cm大小的矩形，用玻璃棒每隔4cm进行沾上透明胶带，保证厚度的均匀，将铜箔放在干净的玻璃板上，固定好，然后在上部和中部分别选取适量的涂料，自上而下进行单向的涂抹。（4）