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1•结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,撰写 2000
字左右的文献综述:
文献综述
进入21世纪,随着生产力和科学技术的发展,能源的消耗急剧增加,石油'煤炭等自然资源面临枯竭,环境污染及地球温室效应日渐加重,对经济增长、环境保护和节能技术的把握显得尤为重要⑴。解决能源及环境问题的途径是“低碳节流”。新能源材料已成为材料、化学、能源、环境等诸多学科相互交叉渗透的热点研究领域。新能源材料的最大特点是在提供能量的高效率转化与储存时,实现清洁生产,即充分利用参与反应的原料原子来实现“零排放”,以获得最佳原子经济性,因而它对解决能源危机及其所造成的环境污染起着关键的作用。化学电源,特别是新型的镍 /氢电池、锂电池、燃料
电池具有高能量密度的特性,是高效能量储存与转换的应用典范。
锂离子电池自问世以来,因其卓越的性能得到了迅猛的发展,并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域,像大家熟知的移动电话、笔记本计算机、小型摄像机等等,并积极地向电动工具'电动汽车、 UPS、空间技
术和国防工业等领域发展。由于锂离子电池相比于镍氢电池和镉镍电池具有更高的比容量、更高的放电电压、更低的自放电速率、更加绿色环保和无 记忆效应”等优点,因此
是一种理想的小型绿色电源「2]。
在小型二次充电电池领域锂离子电池的市场份额逐年增加。%。2005年世界锂离子电池产业生产规模和市场规模分别创造了超过20亿颗和50亿万美元的新纪录,并且在数码相机'便携游戏机'MP3和DVD等移动视听领域呈现较快增长。预计未来几年锂离子电池产业的生产规模将维持8%左右的平稳增长,手机和笔记本以外的新兴应用市场仍将保持较快的增长势头。发展前景广阔,但是锂离子电池仍有许多关键性技术问题需要得到解决,世界各国都投入极大的人力物力来发展锂离子电池。我国是电池大国,但并非是电池强国。虽然近年来我国也比较广泛的开展了锂离子电池的研制工作,但和国外水平相比,还存在一些差距。因此,我国
更该投入巨大的人力、财力,加强技术创新不断提升
产品性能以及积极开拓新型的应用市场,将是未来中国锂离子电池制造商提升竞争力的
主要手段。
目前商用锂离子电池正极材料主要是电化学性能非常稳定的 LiCoO2,然而,由于钻
的资源匮乏导致价格昂贵,并且钻有剧毒,因此研究者一直在寻找其理想的替代材料。锰的资源丰富且毒性小,因而人们希望用锰替代钻, LiMnO2作为锂离子电池正极材料
的研究越来越广泛,该材料在比容量以及循环寿命方面仍存在大量有待进一步提高的问题,如何制备得到高比容量且循环性能稳定的 LiMnO2正极材料是近年来研究关注的热
点。
LiMnO2实际是一个同质多晶化合物,有正交和单斜及六方 3种晶系,分别具有
Pmnm、C2/m和R3m空间群结构。理论研究表明⑻六方结构(R3m)的LiMnO2很难合成,在热力学平衡条件下,由于Mn3+之间的反铁磁相互作用,正交LiMnO2比单斜LiMnO2稳定。但两者在化学反应或电化学反应中容易转变为类尖晶石结构。正交LiMnO2(o-LiMnO2)与单斜LiMnO2(m-LiMnO2)一样具有285mAh/g的理论容量,与m-LiMnO2相比,o-LiMnO2更容易合成,电化学稳定性更好。
国内外对锂离子电池正极材料的层状LiMnO2的制备方法及电化学性能进行了广泛研究,提出了多种制备方法,较普遍使用的有高温固相反应法、离子交换法和水热合成法等。通过对大量文献的分析研究,本文对锂离子电池的正极材料层状 LiMnO2的结构
及制备方法等方面进行了综述'分析和研究,提出制备电化学性能优异的锂离子电池正极材料层状LiMnO2有意义的建议。
离子交换法是一种利用固体离子交换剂(有机树脂或无机盐)中的阴离子或阳离子与液体中的离子发生相互交换反应来分离'提纯或制备新物质的方法。采用该方法制备LiMnO2是基于NaMnO2对锂离子的亲和力大于钠离子,从而与锂盐溶液中锂离子发生交换反应制备LiMnO2。
Paulsen等人旷6]研究表明,从P2型层状钠锰青铜前驱体NaXMnO2经离子交换制得的O2型结构的
LixMnO2在室温下不能转变为尖晶石相,显示出良好的循环稳定性。合成出的Li2/3[Li1/18Mn17/18]O2和Li2/]O2循环多次后容量仍保持在150mAh/g。雷太鸣等人⑺首
先用流变相在空气气氛下合成前驱体aNaMn02再由溶剂热法合成出单斜结构的LiMnO2材料。其合成工艺比传统的离子交换法简单。钟辉等人 ⑹通过共沉淀法制取
NJMn。.?(OH)2,.7O2在不同的温度和介质中进行离子交换反应。
实验研究了在各种情况下的反应速率,总结出层状 LiMnO2是目前锂离子电池正极
材料的研究热点,虽然在循环过程中容易发生畸变,但可通过元素掺杂和表面处理等改善电化学性能。寻找新的合成方法和适宜的合成条件以及多元素掺杂是今后主要的研究方向。
对于一个锂离子电池而言,如果正极材料的电容量提高 100%,则电池总额容量提
高68%。如果使负极材料的电容量提高100%,则电池总额定电容量仅提高12%⑼。因此,正极材料的研究是锂离子电池研究中的热点。 发展高能量锂离子电池的关键技术之一是
正极材料的开发,与负极材料相比,正极材料的发展稍显缓慢。原因在于尽管理论上可以脱嵌锂的物质很多,但是要将其制备成能实际应用的材料却并非易事,制备过程中的微小变化都能导致材料结构乃至性质的巨大差异。 正极材料在性质上应满足与电解液具
有兼容性'电极过程动力学温和、高度的可逆性、稳定性好等条件。
为开发出具有高电压'高容量和良好可逆性的正极嵌锂材料,一方面对现有材料的电化学性能进行提高和改进,如利用掺入其它元素的方法改变材料的结构或通过改进制备方法来改变晶型或元素间的化学计量比等;另一方面是开发新的正极材料,如具有多孔或无定形结构的复合材料。目前研究较多的正极材料主要有锂钻氧'锂镍氧以及锂锰氧[10-12]等几种体系。已经商品化的LiCoO2和正受广泛关注的LiNi02'LiM门2。4正极材料各具特色,但LiCoO2的成本较高且存在环境污染;LiNi02存在安全问题且制备困难[口14];LiM门2。4循环性能仍需要较大的改进[15],而新型锂离子电池正极材料的正交晶系LiMnO2具有下述优点:无毒,成本低,能量密度和理论容量高 (约285mAh/g),且耐高温,耐过
充过放等。
层状锰酸锂用作锂离子电池正极材料,虽然具有众多优点,但由于其结构不稳定,充放电过程中容易发生畸变,
Mn由层板迁移至层间,占据Li+的嵌入位置,并阻塞其扩散通道,导致其电化学循环性能较差。并且 LiMn02材料的制备仍然很困难,离子交换
法工艺繁琐,不具备工业化的条件。合理的制备方法不仅可以使材料的电化学性能得到了极大的改善,同时还可以做到“低碳节流”。因此要想使层状锰酸锂正极材料结构及其电化学
循环性能稳定!对其进行改性及制备方法的改进同样是今后研究层状材料的重
要内容。
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2•本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径)
1) 了解离子交换法合成锰酸锂正极材料的具体实验操作过程;
2) 确定锂离子电池正极材料的研究成分;
3) 设计离子交换法合成锰酸锂正极材料的实验方案;
4) 研究锰酸锂正极材料的结构、形貌的测试和电化学性能分析(XRD、SEM)。
掌握锂离子电池工作原理及特性,针对锂电池锰酸锂正极材料离子交换法制备特
点,研究其制备工艺的影响。
1) 通过文献检索,了解锂离子电池正极材料的制备工艺;
2) 确定制备锂离子电池正极材料层状锰酸锂工艺:称取一定量的NaC03和Mn2O3,在玛瑙研钵中仔细研磨使其混合均匀,于800C空气中焙烧24h,空气中淬火,充分研磨
后,再于800E焙烧24h,制得NaMnO2,然后将NaMnO?分别在不同介质中进行离子交换反应:LiClH2O与LiNO3按低共熔体比例混合、熔融,于300C下进行离子交换
,在5mol/L的LiBr2H2O正己醇溶液中沸腾回流离子交换8h,LiCIH2O与LiOHH2O按物质的量比为3:1配成Li+,于沸腾回流条件下分别进行离子交换8h和48h;于5mol/L的BrCl2H2O乙醇溶液中沸腾回流进行离子交换48h;
3) 采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)分析及电化学方法对所得试样进行了表征和测试,研究制备工艺的相变规律及对层状锰酸锂的影响;
4) 采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)分析及电化学方法对所得试样进行了表征和测试。研究制备工艺的相变规律及对层状锰酸锂的影响;
5) 根据XRD和SEM结果,确定层状锰酸锂的最佳制备工艺。
毕业论文开题报告
指导教师意见:
张鹏博同学根据毕业论文任务书的要求,查阅了许多的相关文献资料,完成了关于《锂电池锰酸锂正极材料离子交换法制备研究》的开题报告。
报告内容反映了报告者对所要进行的课题研究内容有较充分的理解。同时,也反映了报告人对锂电池锰酸锂正极材料有了初步的正确认识,为今后课题研究的顺利进行奠定了良好的基础。综述部分条理清晰、内容充实。
根据参考资料提出的研究实验方案,设计比较合理,方案可行。同意按照该报告进行试验设计。
指导教师:
2011年3月7日
所在系审查意见:
系主任:
年月日