化工类毕业论文范文

1、化工类毕业论文范文20xx 届精细化学品生产技术专业毕业论文题 目 : 锂离子电池的制备班 级 :姓 名 :学 号 :指导老师 :完成时间 :长沙航空职业技术学院毕业论文中文摘要锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工 作。在充放电过程中， Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 : 充电池时， Li+ 从正极 脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态 ; 放电时则相反。锂离子电池由数 十种材料组成，但主要部件是如下几部分正极材料，负极材料，电解液材料，隔 膜，粘结剂和集电体。它们对电池性能有着不同程度的影响。关键词: 锂离子电池正极材料 负极材料 电解液材料- 1

2、-长沙航空职业技术学院毕业论文目录、八前言3第一章锂离子电池综述 41.2 锂离子电池工作原理 4 1.3 锂离子电池的组成 5 1.4锂离子电池的优缺点5第二章锂离子电池正极材料 82.1 正极材料的性能 8 2.2正极材料的制备 8 2.2.1 固相法9 2.2.2络合物法9 2.2.3溶胶凝胶法9 2.2.4离子交换法9 2.3正极材料的发展前景9第三章锂离子电池负极材料 103.1 负极材料的性能 10 3.2负极材料的制备方法 10 3.2.1 炭负极材料的制备 10 3.2.2 氧化物负极材料的制备 11第四章锂离子电池的电解质溶液 124.1 锂离子电池电解液概况 124.2 电

3、解液材料未来发展趋势 12第五章结论14参考文15长沙航空职业技术学院毕业论文.、八、-刖言锂离子电池目前由液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其 中，液态锂离子电池是指Li +嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化 合物LiCoO2或LiMn204,负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压 高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是 21世纪发展的理想能源。锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通 讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计 将成为21世纪电动汽车的主要

4、动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能 方面得到应用。本论文的主要目的是通过对锂离子电池的工作原理、组成及优缺点的介绍，结 合锂离子电池正负极的性能及制备方法，使大家了解锂离子电池的生产工艺及发展 前景-3 -长沙航空职业技术学院毕业论文第一章锂离子电池综述1.1离子电池工作原理笔记本电脑锂离子电池锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只 有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电 池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的 嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用 嵌

5、入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负 极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。以LiCoO2为例:？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LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4LiFePO4 ?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 SnO2 锡复合氧化物 SnBxPyOz（x=O.4,O.6，y=

6、0.6,0.4 ，z=（2，3x, 5y）/2）圆柱型锂离子电池的结构示意图-4 -长沙航空职业技术学院毕业论文1.2离子电池的组成锂离子电池由数十种材料组成，但主要部件是如下几部分正极材料，负极材料，电解液材料，隔膜，粘结剂和集电体。它们对电池性能有着不同程度的影响。正极材料锂离子电池的正负极活性物质均为能使锂可逆地嵌入 , 脱出的化合物，一般选 择电势 （ 相对金属锂电极 ） 较高且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物为正极材料， 它是电池中锂离子的“贮存库”，目前所用的正极材料主要是钴、镍、锰等含锂的 氧化物，如 LiCoO, LiNiO , LiMnO, LiCoNiO, LiMnO等。2

7、2241-x41+x2-x4负极材料 负极材料则选择电势尽可能接近金属锂电势的可嵌入锂的物质,目前主要采用 炭材料 （石墨、中间相炭微球、石油焦等 ） ,此外,近年来文献上还有硅基材料、锡 基材料、含锂过渡金属氮化物、锂钛复合氧化物以及纳米过渡金属氧化物等用作锂 离子电池负极材料的报道。电解液电解液由有机溶剂和无机锂盐构成，有机溶剂有PC碳酸丙烯酯）、EC碳酸乙烯酯）、BC碳酸丁烯酯）、DMC碳酸二甲酯）、DEC碳酸二乙酯）、EMC碳酸甲乙 酯）、DME二甲基乙烷）等，可以为其中一种或几种的混合物。有机溶剂的使用，使得锂离子电池的电压高达4-5V,但同时电导率降低，所以为使电池能在较高电流下充

8、放电，电极必须做得很薄。无机锂盐有 LiPF,LiBF ， 64LiClO 等，其中 LiClO 价格较贵，并且具有强氧化性而导致安全性较差 LiBF 价 格 444 也较贵，相比之下 LiPF 价格较便宜，性能也较好，所以它目前使用得最 多。隔膜 6锂离子电池的隔膜材料一般采用聚烯烃系树脂，常用的隔膜有单层或多层的聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）微孔隔膜，如Celgard 2300为PP/PE/PP三层微孔隔膜。1.3 锂离子电池的优缺点主要优点（1）电压高单体电池的工作电压高达 3.7-3.8V( 磷酸铁锂的是 3.2V) ，是 Ni-Cd 、Ni-H 电 池的 3 倍(2) 比能量大目前能

9、达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量(3-4倍于Ni-Cd , 2-3倍于Ni-MH)，已接近于其理论值的约 88%(3) 循环寿命长- 5 -长沙航空职业技术学院毕业论文一般均可达到 500次以上,甚至 1000次以上，磷酸铁锂的可以达到 2000次以 上。对于小电流放电的电器 , 电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。 (4) 安全性 能好无公害 , 无记忆效应 . 作为 Li-ion 前身的锂电池 , 因金属锂易形成枝晶发生短路 缩减了其应用领域 :Li-ion 中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素 :部分工艺(如 烧结式 ) 的 Ni-Cd 电

10、池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但 Li-ion 根本不存在这方面的问题。 (5) 自放电小室温下充满电的 Li-ion 储存 1 个月后的自放电率为 2%左右，大大低于 Ni-Cd的 25-30%, Ni、MH的 30-35%。(6) 可快速充放电1C充电30分钟容量可以达到标称容量的 80%上，现在磷铁电池可以达到10 分钟充电到标称容量的 90%。(7) 工作温度范围高工作温度为-2545?C,随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-4070?C。主要缺点(1) 衰老与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，

11、所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。 储存温度与容量永久损失速度的关系 充电电量 储存温度 0? 储存温度 25? 储存温度 40? 储存温度 60? 40,60,2,/ 年 4,/ 年 15,/ 年 25,/ 年 100, 6,/ 年 20,/ 年 35,/ 年 80,/6 月(2) 回收率大约有 1, 的出厂新品因种种原因需要回收。- 6 -长沙航空职业技术学院毕业论文(3) 不耐受过充过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池 寿命短。(4) 不耐受过放过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。 (5) 需

12、要 多重保护机制由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加 了多种保护机制。- 7 -长沙航空职业技术学院毕业论文第二章 锂离子电池的正极材料2.1 正极材料的性能正极中表征离子输运性质的重要参数是化学扩散系数 , 通常情况下，正极活性物质中锂离子的扩散系数都比较低。锂嵌入到正极材料或从正级材料中脱嵌，伴随着晶相变化。因此，锂离子电池的电极膜都要求很薄，一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单 体电池电压，倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足 :(1) 在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学

13、相容性 ;(2) 温和的电极过程动力学 ;(3) 高度可逆性 ;(4) 全锂化状态下在空气中的稳定性。研究的热点主要集中在层状LiM02和尖晶石型LiM204结构的化合物及复合两 种M(M为Co, Ni，Mn V等过渡金属离子)的类似电极材料上。作为锂离子电池的 正极材料， Li ，离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的稳 定重复充放电性。正极材料制备中,其原料性能和合成工艺条件都会对最终结构产 生影响。多种有前途的正极材料,都存在使用循环过程中电容量衰减的情况,这是 研究中的首要问题。已商品化的正极材料有 Li1,xCo02(0<x<0(8) , Li1,xNi

14、02(0<x<0(8) , LiMn0278 。它们作为锂离子电池正极材料各有优劣。锂 钴氧为正极的锂离子电池具有开路电压高,比能量大,循环寿命长,能快速充放电 等优点,但安全性差 ; 锂镍氧较锂钴氧价格低廉,性能与锂钴氧相当,具有较优秀 的嵌锂性能,但制备困难 ; 而锂锰氧价格更为低廉,制备相对容易,而且其耐过充 安全性能好,但其嵌锂容量低,并且充放电时尖晶石结构不稳定。从应用前景来 看,寻求资源丰富、价廉、无公害,还有在过充电时对电压控制和电路保护的要求 较低等优点的,高性能的正极材料将是锂离子电池正极材料研究的重点。国外有报 道 LiV02 亦能形成层状化合物,可作为正极电极

15、材料 9 。从这些报道看出,虽然 电极材料化学组成相同,但制备工艺发生变化后,其性能改变较多。成功的商品化 电极材料在制备工艺上都有其独到之处,这是国内目前研究的差距所在。2.2 正极材料的制备2.2.1 固相法一般选用钛酸锂等锂盐和钴化合物或镍化合物研磨混合后，进行烧结反应10 。此方法优点是工艺流程简单，原料易得，属于锂离子电池发展初期被广泛- 8 -长沙航空职业技术学院毕业论文研究开发生产的方法，国外技术较成熟 ; 缺点是所制得正极材料电容量有限， 原料混合均匀性差，制备材料的性能稳定性不好，批次与批次之间质量一致性差。2.2.2 络合物法用有机络合物先制备含锂离子和钴或钒离子的络合物前

16、驱体，再烧结制备。该 方法的优点是分子规模混合，材料均匀性和性能稳定性好，正极材料电容量比固相 法高，国外已试验用作锂离子电池的工业化方法，技术并未成熟，国内目前还鲜有 报道。2.2.3 溶胶凝胶法利用上世纪 70 年代发展起来的制备超微粒子的方法，制备正极材料，该方法 具备了络合物法的优点，而且制备出的电极材料电容量有较大的提高，属于正在国 内外迅速发展的一种方法。缺点是成本较高，技术还属于开发阶段 11 。2.2.4 离子交换法Armstrong等用离子交换法制备的LiMnO2获得了可逆放电容量达270mA?h/g 高值，此方法成为研究的新热点，它具有所制电极性能稳定，电容量高的特点。但

17、过程涉及溶液重结晶蒸发等费能费时步骤，距离实用化还有相当距离。2.3 正极材料的发展前景目前锂电池正极材料仍以锂钴系为主，除了其结构稳定性佳、能量密度高的特 性外，最早导入在可携式电子装置等小型电池领域也是一大助因，未来为了要提高 电池电容量与降低材料成本，三元系的材料在可携式装置的渗透率可望提升 ; 此 外，随着锂电池爆炸事件陆续发生后，正极材料研究重点转向安全性开发，其中锂 锰系电容量虽然较低，但其安全性较高，也让其中大型锂电池或动力电池市场渗透 率逐年提升；至于磷酸锂铁相较于锂锰系具有更高的热稳定性，在成本考量上也比 锂钻氧化物更具优势，使得磷酸锂铁和锂锰系在未来锂电池市场的应用备受期待

18、。-9 -长沙航空职业技术学院毕业论文第三章锂离子电池的负极材料3.1负极材料的性能负极材料的电导率一般都较高，则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂的化合物，如各种碳材料和金属氧化物。可逆地嵌入脱嵌锂离子的负极材料要求具有(1) 在锂离子的嵌入反应中自由能变化小；(2) 锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率；(3) 高度可逆的嵌入反应；有良好的电导率；(5) 热力学上稳定，同时与电解质不发生反应一*舅斡科一1人4 “曦1乂會帝L1B慣啪穴-一*'汁虑化临SI 0軀匕合時4冲買如 锂离子电池负极材料发展图3.2负极材料的制备3.2.1炭负极材料的制备一种锂离子二次电池负极使用的石墨粉，所

19、述石墨粉的形状为球形，具有表面 闭合的端部结构。- 10 -长沙航空职业技术学院毕业论文采用以下步骤 :(1) 将天然鳞片石墨，加入到高速粉碎机内，在 , 至, 转, 分条件下粉化 , 至, 分钟 ;(2) 到低速冲击式球化粉碎机内，在 , 至, 转, 分条件下球化整形处理 ,至 , 分钟。与现有技术相比，石墨粉的形状为球形，能够接收大量的锂离子的天然石墨 粉，作锂离子二次电池负极的材料时，能以稳定方式达到 , 数量级，降低价 格，提高离子二次电池的安全性能。3.2.2 氧化物负极材料的制备钛酸锂材料的优点(1) 它为零应变材料，循环性能好 ;(2) 放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高

20、锂电池安全性能 ;(3) 与炭负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数 (为 2 *10-8cm2/s) ， 可高倍率充放电等。(4) 钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂电池的安全提 供了基础。钛酸锂的制备工艺有固相法和溶胶凝胶法，下面主要介绍溶胶凝胶法 溶胶凝 胶法合成钛酸锂一般将钛酸丁脂和乙醇溶液按一定比例混合，再向其中加入一定量 的乙酸锂、乙醇、去离子水等，合成步骤见下图an i 乙 IP iff wh无恳乙晦1Mr忒钛酸锂的制备工艺钛酸锂可以作为高品质锂离子电池的负极材料，但导电性差，包覆石墨或碳固 然可以改善倍率性能，但在过放时不可避免地存在如同负极材料石墨的缺陷

21、，因 此，掺杂应该是其改进的关键-11 -长沙航空职业技术学院毕业论文第四章锂离子电池的电解质溶液4.1锂离子电池电解液概况电解液是锂离子电池三大关键材料(正极、负极、电解液)之一，号称锂离子电 池的“血液”，在电池中正负极之间起到传导电子的作用，是锂离子电池获得高电 压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐(六氟磷酸锂，LiPF6)、必要的添加剂等原料，在一定条件下，按一定比例配制而成的。电解质的选用对锂离子电池的性能影响非常大，它必须是化学稳定性能好尤其 是在较高的电位下和较高温度环境中不易发生分解，具有较高的离子导电率(>10-3 s/cm )，而且对阴阳极

22、材料必须是惰性的、不能侵腐它们。由于锂离子电池充放 电电位较高而且阳极材料嵌有化学活性较大的锂，所以电解质必须采用有机化合物 而不能含有水。但有机物离子导电率都不好，所以要在有机溶剂中加入可溶解的导 电盐以提高离子导电率。目前锂离子电池主要是用液态电解质，其溶剂为无水有机 物如 EC(ethyl carbonate)、PC (propylenecarbonate) 、DMC(dimethylcarbonate)、DEC(diethyl carbonate)，多数采用混合溶剂，如 EC2DM(和 PC2DMC 等。导电盐有L iCI04、LiPF6、LiBF6、LiA sF6 和LQSO2CF3

23、它们导电率大小依 次为 LiAsF6> LiPF6> LiCIO4>LiBF6> LiOSO 2CF3。LiClO4 因具有较高的氧化性容 易出现爆炸等安全性问题，一般只局限于实验研究中 ;LiAsF6 离子导电率较高易纯 化且稳定性较好，但含有有毒的 As，使用受到限制;LiBF6化学及热稳定性不好且 导电率不高，LiO SO2CF3导电率差且对电极有腐蚀作用，较少使用；虽然LiPF6会 发生分解反应，但具有较高的离子导电率，因此目前锂离子电池基本上是使用 LiPF6。目前商用锂离子电池所用的电解液大部分采用LiPF6的EC2DM,C它具有较高的离子导电率与较好的电化

24、学稳定性。用金属锂直接用作阳极材料具有很高的可逆容量，其理论容量高达 3862mAh?g- 1，是石墨材料的十几倍，价格也较低，被看作新一代锂离子电池最有吸引力的阳 极材料，但会产生枝晶锂。采用固体电解质作为离子的传导可抑制枝晶锂的生长， 使得金属锂用作阳极材料成为可能。此外使用固体电解质可避免液态电解液漏液的 缺点，还可把电池做成更薄(厚度仅为0.1mm)能量密度更高、体积更小的高能电 池。破坏性实验表明固态锂离子电池使用安全性能很高，经钉穿、加热 ( 200?) 、 短路和过充 (600%)等破坏性实验，液态电解质锂离子电池会发生漏液、爆炸等安全 性问题，而固态电池除内温略有升高外 (&l

25、t;20?)并无任何其它安全性问题出现。固体 聚合物电解质具有良好的柔韧性、成膜性、稳定性、成本低等特点，既可作为正负 电极间隔膜用又可作为传递离子的电解质用。4.2 电解液材料未来发展趋势 为了满足锂离子电池产业未来发展的需要，必须开发出高安全性、高环境适应 性的动力电池- 12 -长沙航空职业技术学院毕业论文电解液材料。主要应从电解液的溶剂、溶质和添加剂的选择上进行考量(1) 尽量选择工作温度范围宽的溶剂，溶剂的熔点最好能在 -40? 以下，沸点最 好在 150?以上或更高，电化学窗口宽的溶剂能更好地防止在荷电状态下的电解液 的氧化还原反应，同时可以提高电池的循环稳定性。比如可以考虑使用离子液体、 新型溶剂、多组分溶剂等，从而解决动力电池的安全性和环境适应性。(2) 选择合适的溶质，提高电池的环境适应性。目前通常所用的 LiPF6( 锂六氟 磷酸盐 )分解温度低，从 60?开始就有少量分解，在较高温度或恶劣的环境下，分 解的比例大大增加，产生HF(氢氟酸)等游离酸，从而使电解液酸化，最终导致电 极材料的损坏以及电池性能的急剧恶化。(