锂离子电池材料的制备和电化学性能表征

《锂离子电池硅基负极材料制备与性能研究》一、引言随着科技的飞速发展，对便携式电子设备的需求与日俱增，作为这些设备的主要能源，锂离子电池的性能日益受到重视。

而负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能直接影响到电池的整体性能。

近年来，硅基负极材料因其高比容量、低放电平台等优点，逐渐成为研究的热点。

本文将详细介绍锂离子电池硅基负极材料的制备方法及其性能研究。

二、硅基负极材料的制备（一）原料选择与准备制备硅基负极材料，需要的主要原料包括硅源、导电剂和粘结剂等。

其中，硅源的选择对最终材料的性能具有重要影响。

常用的硅源有微米硅、纳米硅等。

此外，还需选择导电性能良好的导电剂和具有良好粘结性的粘结剂。

（二）制备方法目前，制备硅基负极材料的方法主要有化学气相沉积法、球磨法、溶胶凝胶法等。

本文采用溶胶凝胶法进行制备。

该方法首先将硅源、导电剂和粘结剂混合均匀，形成溶胶状混合物，然后通过热处理使混合物凝胶化，最后进行烧结得到硅基负极材料。

三、硅基负极材料的性能研究（一）材料结构与形貌分析通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对制备的硅基负极材料进行结构与形貌分析。

XRD可以确定材料的晶体结构，SEM则可以观察材料的微观形貌和颗粒大小。

（二）电化学性能测试采用恒流充放电测试、循环伏安法（CV）等手段对硅基负极材料的电化学性能进行测试。

恒流充放电测试可以了解材料的比容量、首次效率、库伦效率等；CV曲线则可以反映材料的氧化还原反应过程及电极反应的可逆性。

（三）性能对比分析将所制备的硅基负极材料与商业石墨负极材料进行性能对比分析。

在相同条件下进行充放电测试，比较两者的比容量、循环性能、倍率性能等。

同时，分析硅基负极材料的优势与不足，为后续研究提供参考。

四、实验结果与讨论（一）实验结果通过上述制备方法和性能测试手段，得到了硅基负极材料的结构与形貌数据、电化学性能数据以及性能对比分析结果。

（二）结果讨论结合实验结果和前人研究，对硅基负极材料的制备过程、结构与性能关系进行深入分析。

实验报告实验三:纽扣金属锂电池(商品)的制造与性能表征班级： 12应化A班学号：12550701021 姓名：钟如达一、实验原理一次性金属锂离子电池是由金属锂负极，过渡金属氧化物正极（如MnO2），隔膜为微孔薄膜和电解质为LiPF6、LiAsF6或LiClO4等有机溶液所组成。

下面以MnO2为正极材料，金属锂为负极，叙述金属锂电池的工作原理：(1)正极放电时，正极从外部电子线路获取电子，Mn4＋被还原为Mn3＋。

电极反应为：MnO2 + e- = MnO2(2)负极放电时电极反应为：Li - e- = Li+总反应：MnO2 + Li = LiMnO2[E = 3.5 V]由于金属锂电池电容量大、放电持续稳定、价格低廉而被广泛使用。

二、实验材料仪器1、实验材料：二氧化锰（MnO2）、KS6石墨、铜箔、铝箔、隔膜（Celgard2400）、锂片、电解液（LB-315，1M LiPF6溶于体积比EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）、扣式电池壳（CR2032）、纽扣电池座等。

2、实验仪器CorreTest CS350电化学工作站、电子分析天平、YP-24T压片机、XYM-Z（Ø13 mm）压片模具、JK-CMJ-02扣式电池冲模机（Ø19 mm）、手套箱+JK-YYFKJ-20纽扣电池液压封口机（附带高纯氮气气源）等。

三、实验流程与步骤(一)实验流程A搅拌→B压片→烘干→C切膜→D封装→F测试(二)实验流步骤1、正、负极的制备a、正极的制备按4: 1的质量比，分别称取2.40 g MnO2和0.60 g KS6导电剂碳黑混合均匀。

准确称量混合物0.7605 g，并转移到压片机模具中，在8.0 T/cm2(仪器指针刻度为10)压力下压片，制成正电极片。

把制备好的正电极片放置在120 ℃烘箱中烘1~2小时后待用。

b、负极、电解液、隔膜负极极片是厚度为1.50 mm直径为15 mm的锂金属片；电解液为LB-315（1M LiPF6溶于体积比EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）；隔膜为Celgard2400，将隔膜纸裁剪/冲模成直径为Φ19 mm的圆片。

实验一：锂离子电池制备及性能测试实验学时：6实验类型：综合实验要求：必修一*实验目的(1)了解锂离子二次电池的工作原理；(2)了解电解质溶液的导电机理和锂离子电池电极材料的合成方法；(3)掌握扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程；(4)掌握锂离子电池电性能测试方法。

二・实验内容扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程和扣式锂离子电池电化学性能测试。

三、实验原理、方法和手段液态锂离子二次电池通常采用层状复合氧化物为正极，人造石墨或者天然石墨为负极，充放电过程中通过锂离子的移动实现。

以商品化的液态电解质锂离子电池为例，如下图1」正极材料和负极材料分别为LiFePO4和石墨，以LiPF6・EC-DEC为电解液，其电池工作原理如下：锂离子电池实质上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。

正极材料是一种嵌锂式化合物，在外界电场作用下化合物中的Li从晶体中脱出和嵌入。

当电池充电时，Li+离子从正极嵌锂化合物中脱出，经过电解质溶液嵌入负极化合物晶格中，正极活，性物处于贫锂状态；电池放电时，Li+则从负极化合物中脱出，经过电解质溶液再嵌入正极化合物中，正极活f生物为富锂状态。

为保持电荷平衡，充放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递，与Li—起在正、负极之间来回迁移，使正、负极发生相应的氧化还原反应，保持一定的电位。

工作电位与构成正、负极的可嵌锂化合物的化学性质、Li+离子浓度等有矢。

在正常充放电过程中，负极材料的化学结构不变。

因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。

锂离子电池在工作电位与构成电极的插入化合物的化学性质、Li+的浓度有尖。

CurrentElectron▼充电：L I F C PO A - xLi+・ M ・X F C PO A + (l-x)LiFePO4放电：F C PO A + xLi八 + M ・xLiFePO^ + (l-x)FePO4图1・1・锂离子电池工作原理＞ LiFePO4为正极‘石墨为负极.研究表明，Li+的脱嵌过程是一个两相反应，存在着LiFePCU和FePCU两相的转化，充电时，铁离子从FeOc层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生FJ+ TFJ+的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极。

锂离子电池正极材料硫化锂的制备与表征锂离子电池在当今的电子产品和机械设备中应用广泛，因为其高能量密度、低自放电率和轻便等特点。

而硫化锂作为一种重要的锂离子电池正极材料，其电化学性能和稳定性受到广泛关注。

本文将着重介绍硫化锂的制备和表征。

一、硫化锂的制备硫化锂制备的方法比较多，常见的方法包括高温固相法、溶胶-凝胶法、氢气还原法等。

以下将详细介绍高温固相法和溶胶-凝胶法。

1. 高温固相法高温固相法是制备硫化锂最常见的方法之一。

其主要原理是将硫粉末和锂粉末按一定的比例混合，放入高温炉中，在高温下反应生成硫化锂。

具体的反应方程式为Li+1/2S2→Li2S。

此方法的主要优点是制备工艺简单，且成本较低。

然而，其缺点也是显著的：反应后产生的硫化锂颗粒较大，具有不良的电化学性能和循环寿命短等缺陷。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法也是制备硫化锂的一种方法。

该方法的原理是将锂盐和硫化物悬浮在介质溶剂中，形成凝胶。

然后，将凝胶进行干燥、煅烧等步骤，制得硫化锂。

此方法的主要优点是能够制备颗粒大小均匀、电化学性能良好的硫化锂。

然而，工艺复杂，成本高昂。

二、硫化锂的表征硫化锂的表征是关键的步骤，可以帮助研究人员评估硫化锂的电化学性能和稳定性。

以下将介绍主要的表征方法。

1. X射线粉末衍射（XRD）XRD是一种常用的硫化锂表征方法。

该方法通过分析硫化锂的衍射光谱，可以得知硫化锂的结晶类型、纯度等信息。

此外，XRD还可以检测样品中的杂质和非晶相。

2. 扫描电镜（SEM）SEM可以通过对样品的表面进行扫描，得到样品的形貌和结构信息。

由于硫化锂的形态和结构对其电化学性能有重要影响，因此SEM成为了硫化锂表征的重要手段。

3. 比表面积测试（BET）BET是一种用于测定材料表面积的表征方法。

硫化锂的比表面积大小与其电化学性能密切相关。

越大的比表面积意味着越多的活性位点，从而使得硫化锂具有更好的电化学性能。

4. 循环伏安法（CV）CV是一种测试材料纯度和电化学特性的方法。

锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备及性能研究磷酸铁锂的制备可以通过化学法、物理法和电化学法等多种方法实现。

化学法包括溶胶-凝胶法、固相反应法和水热合成法等。

其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法，它通过溶剂热分解、固相燃烧或溶胶凝胶处理等步骤制备磷酸铁锂粉体。

物理法主要包括固相合成法和高温煅烧法，通过高温下锂盐和铁盐之间的反应制备磷酸铁锂。

电化学法则是利用电化学沉积等方法在电极表面沉积磷酸铁锂。

磷酸铁锂的性能与其晶体结构和形貌有关。

研究表明，具有纳米级晶粒大小的磷酸铁锂材料具有更好的循环稳定性和电化学性能。

因此，磷酸铁锂的制备研究中也要关注材料的晶体结构和形貌调控。

常用的方法包括控制反应条件、添加表面活性剂或模板剂、改变煅烧温度等。

磷酸铁锂的性能研究主要包括电化学性能和循环寿命测试。

电化学性能测试包括循环伏安法、恒流充放电测试和交流阻抗测试等。

通过这些测试可以了解磷酸铁锂材料的比容量、充放电效率、电化学活性、内阻等性能指标。

循环寿命测试主要通过反复充放电测试来评估材料的稳定性和持久性能。

此外，磷酸铁锂的改性也是提高其性能的重要途径。

例如，通过合成碳包覆磷酸铁锂（C-LiFePO4）可以提高其导电性、离子扩散速率和循环稳定性。

碳包覆磷酸铁锂的制备可以采用碳源共沉淀法、石墨烯覆盖法和碳纳米链法等。

总之，磷酸铁锂的制备及性能研究对于锂离子电池的进一步发展具有重要意义。

通过优化制备工艺、调控材料结构和形貌、改性等方法，可以提高磷酸铁锂材料的性能，进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性。

实验二 锂离子电池的制备合成及性能测定一.实验目的1.熟悉锂离子电极材料的制备方法，掌握锂离子电极材料工艺路线；2.掌握锂离子电池组装的基本方法；3.掌握锂离子电极材料相关性能的测定方法及原理；4.熟悉相关性能测试结果的分析。

二.实验原理锂离子电池的结构与工作原理：所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。

以LiCoO 2为例：⑴电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。

这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V 且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO 2、LiNiO 2、LiMn 2O 4、LiFePO 4。

⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO 、SnO 2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x ＋5y)/2)等。

三.实验装置及材料1.实验装置：恒温槽，冰箱，搅拌器，管式电阻炉，真空干燥箱，鼓风干燥箱，铁夹，分液漏斗，研钵，烧杯，pH 试纸，循环水真空泵，漏斗，抽滤瓶，滤纸，玻璃皿，温度计；2.实验材料：乙醇，醋酸镍，醋酸钴，醋酸锰，碳酸钠，去离子水，氨水，乙炔黑，PVDF ，NMP ，LiOH ；四.实验内容及步骤1.样品的制备及准备碳酸盐共沉淀法制备LiNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2：分别称取摩尔比为1：1：1的醋酸镍(Ni(CH 3COO)2·4H 2O)、醋酸钴 (Co(CH 3COO)2·4H 2O)、醋酸锰 (Mn(CH 3COO)2·4H 2O)，用去离子水溶解，溶液金属离子总浓度为1mol ·L -1。

锂离子电池高电压正极材料镍锰酸锂的制备及电化学性能刘树林;田院;孙永辉【摘要】微乳液法是锂离子电池正极材料的一种新型制备方法.通过将反应物原料配制成微乳液,然后加入沉淀剂H2C2O4溶液,使反应在其水核内部比较温和地发生,有效地控制产物的尺寸和形貌,制备得到形貌均匀的径向纳米尺寸产物LiNi05Mn15O4正极材料.测试产物的电化学性能,结果显示:在0.5,10和20C倍率下,首次放电比容量分别为130.03,113.6和101.4mAh g一,经过100次循环后分别保持127.9,102.2和85.1mAh g-1的放电比容量,其容量保持率可达98.4％,89.9％和83.9％,说明这种形貌均匀的径向纳米尺寸能够极大地缩短电极反应中电子和锂离子的传输距离,并且其较大的比表面积可以为电极材料和电解液提供更大的接触面积,从而显著提高锂离子脱出和嵌入的速度,使电极材料表现出优异的电化学性能.【期刊名称】《安徽化工》【年(卷),期】2016(042)005【总页数】4页(P50-52,57)【关键词】微乳液法;锂离子电池;高电压正极材料【作者】刘树林;田院;孙永辉【作者单位】合肥工业大学化学与化工学院,安徽合肥230009;合肥工业大学化学与化工学院,安徽合肥230009;合肥工业大学化学与化工学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TQ131.1+1随着经济的迅速发展及人们生活水平的不断提高，手机、笔记本电脑、家用便携式电子产品、轻型电动车、纯电动和混合动力汽车等产量逐年提高，广泛应用于这些领域的锂离子电池需求量也随之增长。

同时一些新兴行业如风电、光伏发电、4G移动通信等方兴未艾，在储能电池、动力电池方面对锂电池的需求潜力巨大[1]。

锂离子电池正极材料是决定锂电池性能好坏的关键材料，是锂电池技术的核心部分，开发出具有更高的能量密度和功率密度的锂离子电池正极材料，并通过技术手段改进其电化学性能，具有重要的研究意义和实用价值[2-4]。

锂离子电池材料常用表征技术在锂离子电池发展的过程当中，我们希望获得大量有用的信息来帮助我们对材料和器件进行数据分析，以得知其各方面的性能。

目前，锂离子电池材料和器件常用到的研究方法主要有表征方法和电化学测量。

电化学测试主要分为三个部分：（1）充放电测试，主要看电池充放电性能和倍率等；（2）循环伏安，主要是看电池的充放电可逆性，峰电流，起峰位；（3）EIS交流阻抗，看电池的电阻和极化等。

1、成分表征（1）电感耦合等离子体（ICP）用来分析物质的组成元素及各种元素的含量。

ICP-AES可以很好地满足实验室主、次、痕量元素常规分析的需要；ICP-MS相比ICP-AES是近些年新发展的技术，仪器价格更贵，检出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。

Aurbac等在研究正极材料与电解液的界面问题时，用ICP研究LiC0O2和LiFePO4在电解液中的溶解性。

通过改变温度、电解液的锂盐种类等参数，用ICP测量改变参数时电解液中的Co和Fe含量的变化，从而找到减小正极材料在电解液中溶解的关键[1]。

值得注意的是，若元素含量较高（例如高于20%），使用ICP检测时误差会大，此时应采用其他方式。

（2）二次离子质谱（SIMS）通过发射热电子电离氩气或氧气等离子体轰击样品的表面，探测样品表面溢出的荷电离子或离子团来表征样品成分。

可以对同位素分布进行成像，表征样品成分；探测样品成分的纵向分布Ota等用TOF—SIMS技术研究了亚硫酸乙烯酯作为添加剂加到标准电解液后，石墨负极和LiC0O2正极表面形成SEI膜的成分[2]。

Castle等通过SIMS探测V2O5在嵌锂后电极表面到内部Li+的分布来研究Li+在V2O5中的扩散过程[3]。

（3）X射线光子能谱（XPS）由瑞典Uppsala大学物理研究所Kai Siegbahn教授及其小组在20 世纪五六十年代逐步发展完善。

X射线光电子能谱不仅能测定表面的组成元素，而且还能给出各元素的化学状态信息，能量分辨率高，具有一定的空间分辨率（目前为微米尺度）、时间分辨率（分钟级）。