化工類畢業(yè)論文范文

1、長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文20xx屆精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文題 目： 鋰離子電池的制備 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間： 中文摘要鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子電池由數(shù)十種材料組成，但主要部件是如下幾部分正極材料，負(fù)極材料，電解液材料，隔膜，粘結(jié)劑和集電體。它們對(duì)電池性能有著不同程度的影響。關(guān)鍵詞：鋰離子電池 正極材料 負(fù)極材料 電解液材料目錄前言.3第一章鋰離子電池綜述.41.2鋰離子電

2、池工作原理.41.3鋰離子電池的組成.51.4鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn).5第二章鋰離子電池正極材料. . 82.1正極材料的性能.82.2正極材料的制備.82.2.1固相法.92.2.2絡(luò)合物法.92.2.3溶膠凝膠法.92.2.4離子交換法.92.3正極材料的發(fā)展前景.9第三章鋰離子電池負(fù)極材料. . 103.1負(fù)極材料的性能.103.2負(fù)極材料的制備方法.103.2.1炭負(fù)極材料的制備.103.2.2氧化物負(fù)極材料的制備.11第四章鋰離子電池的電解質(zhì)溶液. . 124.1鋰離子電池電解液概況.124.2電解液材料未來發(fā)展趨勢(shì).12第五章結(jié)論.14參考文獻(xiàn).15前言鋰離子電池目前由液態(tài)鋰離子電池(

3、lib)和聚合物鋰離子電池(plb)兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指 li +嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物licoo2或limn2o4，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源。鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢(shì)已在便攜式電器如手提電腦、攝像機(jī)、移動(dòng)通訊中得到普遍應(yīng)用。目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車中開始試用，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄娫粗?，并將在人造衛(wèi)星、航空航天和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。本論文的主要目的是通過對(duì)鋰離子電池的工作原理、組成及優(yōu)缺點(diǎn)的介紹，結(jié)合鋰離子

4、電池正負(fù)極的性能及制備方法，使大家了解鋰離子電池的生產(chǎn)工藝及發(fā)展前景！第一章鋰離子電池綜述1.1離子電池工作原理 筆記本電腦鋰離子電池鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。以licoo2為例：電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌

5、，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3v且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如licoo2、linio2、limn2o4、lifepo4。為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括sno、sno2、錫復(fù)合氧化物snbxpyoz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。圓柱型鋰離子電池的結(jié)構(gòu)示意圖1.2離子電池的組成鋰離子電池由數(shù)十種材料組成，但主要部件是如下幾部分正極材料，負(fù)極材料，電解液材料，隔膜，粘結(jié)劑和集電體。它

6、們對(duì)電池性能有著不同程度的影響。正極材料鋰離子電池的正負(fù)極活性物質(zhì)均為能使鋰可逆地嵌入脫出的化合物，一般選擇電勢(shì)(相對(duì)金屬鋰電極)較高且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物為正極材料，它是電池中鋰離子的“貯存庫(kù)”，目前所用的正極材料主要是鈷、鎳、錳等含鋰的氧化物，如licoo2，linio2，limn2o4，lico1-xnio4，li1+xmn2-xo4等。負(fù)極材料負(fù)極材料則選擇電勢(shì)盡可能接近金屬鋰電勢(shì)的可嵌入鋰的物質(zhì)，目前主要采用炭材料(石墨、中間相炭微球、石油焦等)，此外，近年來文獻(xiàn)上還有硅基材料、錫基材料、含鋰過渡金屬氮化物、鋰鈦復(fù)合氧化物以及納米過渡金屬氧化物等用作鋰離子電池負(fù)極材料的報(bào)

7、道。電解液電解液由有機(jī)溶劑和無機(jī)鋰鹽構(gòu)成，有機(jī)溶劑有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，可以為其中一種或幾種的混合物。有機(jī)溶劑的使用，使得鋰離子電池的電壓高達(dá)4-5v，但同時(shí)電導(dǎo)率降低，所以為使電池能在較高電流下充放電，電極必須做得很薄。無機(jī)鋰鹽有l(wèi)ipf6,libf4，liclo4等，其中l(wèi)iclo4價(jià)格較貴，并且具有強(qiáng)氧化性而導(dǎo)致安全性較差libf4價(jià)格也較貴，相比之下lipf6價(jià)格較便宜，性能也較好，所以它目前使用得最多。隔膜鋰離子電池的隔膜材料一般采用聚烯烴系樹脂，常用的隔

8、膜有單層或多層的聚丙烯(pp)和聚乙烯(pe)微孔隔膜，如celgard 2300為pp/pe/pp三層微孔隔膜。1.3鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)（1） 電壓高單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8v（磷酸鐵鋰的是3.2v），是ni-cd、ni-h電池的3倍 （2） 比能量大目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mah/g以上的比容量（3-4倍于ni-cd，2-3倍于ni-mh），已接近于其理論值的約88%。 （3） 循環(huán)壽命長(zhǎng)一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限，將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。 （4

9、） 安全性能好無公害,無記憶效應(yīng).作為li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的ni-cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但li-ion根本不存在這方面的問題。 （5） 自放電小室溫下充滿電的li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于ni-cd的25-30%，ni、mh的30-35%。 （6)可快速充放電1c充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。 （7) 工作溫度范圍高工作溫度為-2545c，隨著電解

10、液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-4070c。主要缺點(diǎn)（1）衰老與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會(huì)緩慢衰退，與使用次數(shù)無關(guān)，而與溫度有關(guān)?？赡艿臋C(jī)制是內(nèi)阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產(chǎn)品更容易體現(xiàn)。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長(zhǎng)壽命。 儲(chǔ)存溫度與容量永久損失速度的關(guān)系： 充電電量?jī)?chǔ)存溫度0儲(chǔ)存溫度25儲(chǔ)存溫度40儲(chǔ)存溫度6040602/年4/年15/年25/年1006/年20/年35/年80/6月（2）回收率大約有1的出廠新品因種種原因需要回收。 （3）不耐受過充過充電時(shí)，過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命短。 （4）不耐受過放過放電時(shí)，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)

11、致晶格坍塌，從而縮短壽命。 （5）需要多重保護(hù)機(jī)制由于錯(cuò)誤使用會(huì)減少壽命，甚至可能導(dǎo)致爆炸，所以，鋰離子電池設(shè)計(jì)時(shí)增加了多種保護(hù)機(jī)制。第二章 鋰離子電池的正極材料2.1正極材料的性能正極中表征離子輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)是化學(xué)擴(kuò)散系數(shù),通常情況下，正極活性物質(zhì)中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)都比較低。鋰嵌入到正極材料或從正級(jí)材料中脫嵌，伴隨著晶相變化。因此，鋰離子電池的電極膜都要求很薄，一般為幾十微米的數(shù)量級(jí)。正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的臨時(shí)儲(chǔ)存容器。為了獲得較高的單體電池電壓，傾向于選擇高電勢(shì)的嵌鋰化合物。正極材料應(yīng)滿足：（1）在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；（2）溫和

12、的電極過程動(dòng)力學(xué)；（3）高度可逆性；（4）全鋰化狀態(tài)下在空氣中的穩(wěn)定性。研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀limo2和尖晶石型lim2o4結(jié)構(gòu)的化合物及復(fù)合兩種m（m為co，ni，mn，v等過渡金屬離子）的類似電極材料上。作為鋰離子電池的正極材料，li離子的脫嵌與嵌入過程中結(jié)構(gòu)變化的程度和可逆性決定了電池的穩(wěn)定重復(fù)充放電性。正極材料制備中，其原料性能和合成工藝條件都會(huì)對(duì)最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多種有前途的正極材料，都存在使用循環(huán)過程中電容量衰減的情況，這是研究中的首要問題。已商品化的正極材料有l(wèi)i1xcoo2（0x08），li1xnio2（0x10- 3 s/cm )，而且對(duì)陰陽(yáng)極材料必須是惰性的、不能侵腐它

13、們。由于鋰離子電池充放電電位較高而且陽(yáng)極材料嵌有化學(xué)活性較大的鋰，所以電解質(zhì)必須采用有機(jī)化合物而不能含有水。但有機(jī)物離子導(dǎo)電率都不好，所以要在有機(jī)溶劑中加入可溶解的導(dǎo)電鹽以提高離子導(dǎo)電率。目前鋰離子電池主要是用液態(tài)電解質(zhì)，其溶劑為無水有機(jī)物如ec(ethyl carbonate) 、pc (propylenecarbonate)、dmc(dimethyl carbonate)、dec(diethyl carbonate)，多數(shù)采用混合溶劑，如ec2dmc 和pc2dmc 等。導(dǎo)電鹽有l(wèi) iclo4、lipf6、libf6、lia sf6 和lioso2cf3,它們導(dǎo)電率大小依次為liasf6

14、lipf6 liclo4libf6 lioso 2cf3。liclo4因具有較高的氧化性容易出現(xiàn)爆炸等安全性問題，一般只局限于實(shí)驗(yàn)研究中；liasf6離子導(dǎo)電率較高易純化且穩(wěn)定性較好，但含有有毒的as，使用受到限制；libf6化學(xué)及熱穩(wěn)定性不好且導(dǎo)電率不高，lio so2cf3導(dǎo)電率差且對(duì)電極有腐蝕作用，較少使用；雖然lipf6會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，但具有較高的離子導(dǎo)電率，因此目前鋰離子電池基本上是使用lipf6。目前商用鋰離子電池所用的電解液大部分采用lipf6的ec2dmc，它具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。用金屬鋰直接用作陽(yáng)極材料具有很高的可逆容量，其理論容量高達(dá)3862mahg-1

15、，是石墨材料的十幾倍，價(jià)格也較低，被看作新一代鋰離子電池最有吸引力的陽(yáng)極材料，但會(huì)產(chǎn)生枝晶鋰。采用固體電解質(zhì)作為離子的傳導(dǎo)可抑制枝晶鋰的生長(zhǎng)，使得金屬鋰用作陽(yáng)極材料成為可能。此外使用固體電解質(zhì)可避免液態(tài)電解液漏液的缺點(diǎn)，還可把電池做成更薄(厚度僅為0.1mm)、能量密度更高、體積更小的高能電池。破壞性實(shí)驗(yàn)表明固態(tài)鋰離子電池使用安全性能很高，經(jīng)釘穿、加熱( 200)、短路和過充(600%)等破壞性實(shí)驗(yàn)，液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池會(huì)發(fā)生漏液、爆炸等安全性問題，而固態(tài)電池除內(nèi)溫略有升高外(20)并無任何其它安全性問題出現(xiàn)。固體聚合物電解質(zhì)具有良好的柔韌性、成膜性、穩(wěn)定性、成本低等特點(diǎn)，既可作為正負(fù)電極間隔

16、膜用又可作為傳遞離子的電解質(zhì)用。4.2電解液材料未來發(fā)展趨勢(shì)為了滿足鋰離子電池產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需要，必須開發(fā)出高安全性、高環(huán)境適應(yīng)性的動(dòng)力電池電解液材料。主要應(yīng)從電解液的溶劑、溶質(zhì)和添加劑的選擇上進(jìn)行考量： (1)盡量選擇工作溫度范圍寬的溶劑，溶劑的熔點(diǎn)最好能在-40以下，沸點(diǎn)最好在150以上或更高，電化學(xué)窗口寬的溶劑能更好地防止在荷電狀態(tài)下的電解液的氧化還原反應(yīng)，同時(shí)可以提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。比如可以考慮使用離子液體、新型溶劑、多組分溶劑等，從而解決動(dòng)力電池的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。 (2)選擇合適的溶質(zhì)，提高電池的環(huán)境適應(yīng)性。目前通常所用的lipf6（鋰六氟磷酸鹽）分解溫度低，從60開始就有少量

17、分解，在較高溫度或惡劣的環(huán)境下，分解的比例大大增加，產(chǎn)生hf（氫氟酸）等游離酸，從而使電解液酸化，最終導(dǎo)致電極材料的損壞以及電池性能的急劇惡化。 (3)可以考慮添加適量的阻燃添加劑、氧化還原穿梭添加劑、保護(hù)正負(fù)極成膜添加劑等。采用阻燃添加劑可以確保電池內(nèi)部熱失控時(shí)，電解液不會(huì)燃燒起火，使電池安全性得以保證。采用氧化還原穿梭添加劑的作用是，防止當(dāng)電池尤其是動(dòng)力電池組由于在使用過程中出現(xiàn)異常的狀況，單體電池會(huì)經(jīng)常性過充或過放，從而導(dǎo)致電池性能的迅速惡化，進(jìn)而影響整組電池的性能和使用，甚至帶來安全隱患的發(fā)生。采用正負(fù)極成膜添加劑的作用是可以有效地保護(hù)正負(fù)極材料在充電狀態(tài)下與電解液的接觸反應(yīng)，通過成膜的形式，將高度活性的正負(fù)極與電解液隔離開來，從而防止電解液在電極表面的反應(yīng)。第五章結(jié)論本論文通過對(duì)鋰離子電池的工作原理、組成及優(yōu)缺點(diǎn)的介紹，結(jié)合鋰離子電池正負(fù)極的性能及制備方法，使大家了解了鋰離子電池的生產(chǎn)工藝及發(fā)展前景！在今后的研發(fā)制造過程中，盡量把握住環(huán)保、高效、質(zhì)量的原則來開發(fā)鋰離子電池，不管是正極材料還是負(fù)極材料都要是實(shí)用型的才能使鋰離子電池行業(yè)得到更好的發(fā)展！參考文獻(xiàn)1譚小金，陳玲蓉。全球電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與展望,電池工業(yè)，20012戴永年，楊賓，姚耀春，等。鋰離子電池的發(fā)展?fàn)顩r，電池，20053王斌，鋰離子電池電解液市場(chǎng)解析，電池，20104m