開題報(bào)告氧化物表面修飾鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料

1、滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告表課題題目 氧化物表面修飾鈦酸鋰 作為鋰離子電池負(fù)極材料 學(xué)生姓名 劉穎 所學(xué)專業(yè) 應(yīng)用化學(xué) 導(dǎo)師姓名 章守權(quán) 報(bào)告日期 2014年2月23日 滁州學(xué)院教務(wù)處制滁州學(xué)院教務(wù)處制關(guān)于本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告的規(guī)定為切實(shí)做好本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的開題報(bào)告工作，保證論文質(zhì)量，特作如下規(guī)定：一、開題報(bào)告是本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的必經(jīng)過程，所有本科生在寫作畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）之前都必須作開題報(bào)告。二、開題報(bào)告主要檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的駕馭能力和研究能力，考察寫作論文的準(zhǔn)備工作是否深入細(xì)致，包括選題是否恰當(dāng)，資料占有是否翔實(shí)、全面，對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究狀況是否了解，本人的研究是否

2、具有創(chuàng)新性等。三、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告前，學(xué)生必須根據(jù)所學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，與教師雙向選擇后確定選題，根據(jù)任務(wù)書廣泛查閱文獻(xiàn)，深入調(diào)查，收集資料，制定研究方案，在此基礎(chǔ)上撰寫開題報(bào)告。四、開題報(bào)告內(nèi)容包括： 論文選題的理由； 主要參考文獻(xiàn)目錄； 研究計(jì)劃，包括研究目標(biāo)、內(nèi)容、擬突破的難題或攻破的難關(guān)、實(shí)驗(yàn)方案或?qū)懽饔?jì)劃等。五、學(xué)生進(jìn)行論文開題報(bào)告需向?qū)熖岢錾暾?qǐng)，申請(qǐng)獲準(zhǔn)后，方可進(jìn)行。參加開題報(bào)告的教師，包括指導(dǎo)教師在內(nèi)，不得少于3人。六、參加論文開題報(bào)告的教師應(yīng)當(dāng)對(duì)開題報(bào)告進(jìn)行評(píng)議，主要評(píng)議論文選題是否恰當(dāng)，研究設(shè)想是否合理、可行，研究?jī)?nèi)容與方法是否具有開拓性、創(chuàng)新性，是否可以開始進(jìn)行論文寫

3、作等。評(píng)議結(jié)果分為“合格”和“不合格”兩種，學(xué)生開題報(bào)告評(píng)議結(jié)果須為“合格”方可開始論文寫作。七、開題報(bào)告表應(yīng)送交所在院(部)保存。八、表中各項(xiàng)可自行加頁(yè)。題 目氧化物表面修飾鈦酸鋰作為鋰離子電池負(fù)極材料指導(dǎo)小組成員姓名專業(yè)技術(shù)職務(wù)或職稱簽字葛秀濤教授張麗惠教授章守權(quán)講師研究現(xiàn)狀一、研究現(xiàn)狀化石燃料的有限供應(yīng)及其燃燒產(chǎn)生的氣體排放物所造成的大氣污染與氣候變暖等系列嚴(yán)重后果，使可再生能源（風(fēng)能、潮汐、波浪、太陽(yáng)能等）的大規(guī)模應(yīng)用要求比以往更為迫切。而這些能源在時(shí)間和空間上固有的間斷性與能源使用所需要的連續(xù)可靠性間的矛盾，催生了儲(chǔ)能技術(shù)，亦即儲(chǔ)能技術(shù)（核心技術(shù)是電極材料技術(shù)）。近年來(lái)，鋰嵌入型材料

4、的研究受到廣泛關(guān)注，材料的比容量，循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率特性是研究者最為關(guān)注的電極材料特性，廉價(jià)、高性能的電極材料已成為制約儲(chǔ)能器件發(fā)轉(zhuǎn)最關(guān)鍵的因素。當(dāng)前實(shí)際廣泛應(yīng)用的鋰離子電池，鋰離子電池具有比能量大，比功率高，自放電小，循環(huán)性好以及可以快速充電且效率高、工作溫度范圍寬，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛用于移動(dòng)電話，筆記本電腦等電子產(chǎn)品中1-2。相對(duì)于其他材料，尖晶石型鈦酸鋰（li4ti5o12）具有一些優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低廉，制備容易，循環(huán)性能好，不與電解液反應(yīng)，全充電狀態(tài)下有良好的熱穩(wěn)定性，由于平衡電位較高，避免了金屬鋰的沉積，并且其平臺(tái)容量超過總?cè)萘康?5%，充電結(jié)束時(shí)電位迅速上升，則可用于指示終止充

5、電，避免過充，因此安全性比碳負(fù)電極材料高，是近幾年來(lái)研究較多的最優(yōu)秀的鋰電子電池負(fù)極材料之一3-6。目前商用鋰離子電池負(fù)極材料大多采用各種嵌鋰碳/石墨材料，但是，由于碳負(fù)極材料具有與金屬鋰很接近的電位，當(dāng)電池過充電時(shí)碳電極表面易析出金屬鋰枝晶而引起短路、熱失控等，并且含碳負(fù)材料在第一次循環(huán)時(shí)形成一層表面鈍化的薄膜，大大消耗正極材料中的鋰離子，造成很大的容量損失，同時(shí)，這種電池在高功率脈沖充電時(shí)固有的安全性不穩(wěn)定7。尖晶石型鈦酸鋰的理論比容量為175mah/g，作為一種極具前景的鋰離子電池的電有非常好的充放電平臺(tái)，嵌鋰電位高（1.55v），不易引起金屬鋰析出，同時(shí)，極材料，尖晶石鈦酸鋰具有在放電

6、過程中骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化的零應(yīng)變特性，具不與電解液反應(yīng)，具有非常有約的循環(huán)性能和安全性能，此外，鋰離子在鈦酸鋰材料中擴(kuò)散速度快，有利于提高鋰離子電池的大倍率充放電性能。因此，該材料受到研究者的廣泛選題意義關(guān)注8 。尖晶石li4ti5o12負(fù)極材料也存在很多問題，它是一種半導(dǎo)體，電子導(dǎo)電能力差，倍率充放電性能欠佳，在高倍率環(huán)境下工作，才能發(fā)揮出材料的性能優(yōu)勢(shì)，因此，有研究者通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行鈦酸鋰的改性研究。1、制備納米級(jí)的li4ti5o12合成納米尺寸的li4ti5o12，可增大電極活性材料與電解液的接觸面積，有利于鋰離子的快速嵌入和脫出，同時(shí)可縮短鋰離子的遷移路徑，減小鋰離子的擴(kuò)散阻力

7、，保證鋰離子在高倍率條件下快速嵌入和脫出10。2、金屬元素?fù)诫s對(duì)li4ti5o12進(jìn)行金屬摻雜的主要目的有兩個(gè)：一是為了降低它的電極電位，提高電池比能量；二是提高材料的導(dǎo)電性，降低電阻和極化。摻雜包括：mg2+、al3+、sr2+、ag、ba2+、zr4+等及其復(fù)合摻雜。施思齊等11為了獲得低電壓材料，選用過渡元素氧化物fe2o3、nio、cr2o3進(jìn)行了摻雜實(shí)驗(yàn)取代ti。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些元素的加入都降低了li4ti5o12的電位，但是也不同程度地降低了材料的放電容量和循環(huán)性能。3、碳包覆向li4ti5o12粉體中加入少量電導(dǎo)率較高的第二相充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)，均勻分散或包覆在li4ti5o12顆粒表面

8、，以增強(qiáng)主相粒子之間的電子導(dǎo)電能力，提高復(fù)合電極材料的導(dǎo)電性能。徐寧等12通過鋰鹽和二氧化鈦的高溫固相反應(yīng)，生成鈦酸鋰，然后在惰性氣體保護(hù)下，于750-1000v下焙燒0.5-5h，得到碳包覆型li4ti5o12用來(lái)解決li4ti5o12材料導(dǎo)電性差，倍率充放電性能欠佳的問題。包覆后li4ti5o12的初始放電容量為168.2mah/g，10c，可逆容量為150.1mah/g，10，容量/0.1c容量為90.3%，大大改善了li4ti5o12材料的倍率充放電性能。潘中來(lái)等13以tio2為鈦源，高分子羧酸鋰鹽為鋰源和碳源，在惰性氣體保護(hù)下通過600-900 v的固相反應(yīng)制備碳包覆li4ti5o1

9、2。其理論比容量為162mah/g。在8充放電時(shí)材料的比容量為125 mah/g。2、 選題意義1、選用尖晶石鈦酸鋰作為負(fù)極材料，是因?yàn)榧饩佀徜嚨睦碚摫热萘繛?75 mah/g，作為一種極具前景的鋰離子電池的電極材料，尖晶石鈦酸鋰具有在充放電過程中骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化的零應(yīng)變特性，具有很好的充放電平臺(tái)，嵌鋰電位高（1.55v），不易引起金屬鋰析出14；同時(shí)不與電解液反應(yīng)，具有非常優(yōu)越的循環(huán)性能和安全性能。此外，鋰離子在鈦酸鋰材料中擴(kuò)散速度快，有利于提高鋰離子電池的大研究方法研究?jī)?nèi)容倍率充放電性能15。但是li4ti5o12材料的電導(dǎo)率很低，且嵌鋰電位較高，所以采用包覆或摻雜來(lái)改善是必要的

10、16。2、采用氧化表面修飾目的在于鋰是最輕最活潑的堿金屬，幾乎可以和所有非金屬元素發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，如電池里的金屬鋰與sno2（或sio2、cuo）可置換出錫，增加鋰離子電池的電導(dǎo)率。同時(shí)反應(yīng)前加入氧化物作為惰性材料可以控制li4ti5o12的粒徑大小變化，這樣就可以有效的縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，提高鋰離子傳導(dǎo)速率17。所以選擇合適的氧化物進(jìn)行修飾是有意義的課題。三、研究方法1、采用傳統(tǒng)固相反映法制備目標(biāo)產(chǎn)物，組裝成紐扣式實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行恒流充放電、交流阻抗、循環(huán)伏安等測(cè)試，利用xrd,sem等材料表征手段了解未改性的電池的各方面電化學(xué)性能。2、為提高li4ti5o12的導(dǎo)電性，改善其大電流放電性

11、能，提高可逆容量，進(jìn)行了li4ti5o12的改性研究。采用兩種不同的非金屬氧化物或氧化物進(jìn)行表面包覆（sno2和sio2），并通過對(duì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行恒流充放電，交流阻抗，循環(huán)伏安等測(cè)試，利用xrd,sem等材料表征手段得出數(shù)據(jù)，對(duì)比未改性前的鋰離子電池的電化學(xué)性能并具體分析。四、研究?jī)?nèi)容擬采用固相反應(yīng)法18，固相反應(yīng)法是目前制備鈦酸鋰電極材料最常用的方法，整體的工藝流程是：1、固相法制備鈦酸鋰負(fù)極材料將銳鈦礦型tio2為鈦源和鋰源在一定原料搭配下（取li:ti=4：5），在球磨機(jī)（轉(zhuǎn)速250r/min，時(shí)間2h）中進(jìn)行原料混合，再將干燥的混合物在800下干燥12h并在空氣氣氛下以900的高溫干燥2

12、4h。冷卻至室溫后取出，研磨后得目標(biāo)產(chǎn)物。2、sio2(或sno2、cuo)分別對(duì)li4ti5o12進(jìn)行包覆稱取一定量的li4ti5o12，并加入20ml無(wú)水乙醇，超聲10min，再加入一定量的硅酸脂（硅酸鈉和乙醇按1：1混合），超聲20分鐘，再將混合液靜置2h，把混合液進(jìn)行離心分離，收集離心產(chǎn)物，用飽和蒸餾水和無(wú)水乙醇分別洗滌三次，在空氣中自然干燥。最后將混合物放入馬弗爐中，在空氣氣氛中0.55/min加熱至400保溫2h后自然冷卻，取出樣品研細(xì)取出研細(xì)進(jìn)行sem和xrd，剩下的放入干燥器中備用，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3、實(shí)驗(yàn)電池裝配以制作的電極作為研究電極，以鋰片作為輔助電極和參比電極。組裝電

13、池放置在研究基本要求主要參考文獻(xiàn)氮?dú)庹婵帐痔紫渲羞M(jìn)行，將正極極片、隔膜、金屬鋰片依次放入上殼體，加入電解液，蓋上下殼體，用封口機(jī)壓合，從手套箱取出，靜置12h后用于測(cè)試。4、實(shí)驗(yàn)電池性能測(cè)試對(duì)實(shí)驗(yàn)電池分別進(jìn)行x-射線衍射分析(xrd)、sem、充放電試驗(yàn)和循環(huán)性能、交流阻抗等電化學(xué)性能測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析。五、研究基本要求1、掌握如何用傳統(tǒng)固相法制備鈦酸鋰。2、學(xué)習(xí)如何使用x-射線衍射分析(xrd)、sem、充放電試驗(yàn)和循環(huán)性能、交流阻抗等方法分析實(shí)驗(yàn)鋰電池的電化學(xué)性能。3、了解改性的幾種方法，重點(diǎn)掌握包覆法。六、主要參考文獻(xiàn)1 唐志遠(yuǎn), 武鵬, 楊景雁, 等. 電極材料li4ti5o12

14、的研究進(jìn)展j. 電池, 2007, 37(1):1-5.2 賀慧, 程璇, 張穎. 鋰離子電池負(fù)極材料li4ti5o12的結(jié)構(gòu)和性能j. 材料研究學(xué)報(bào), 2007, 21(1):82-86.3 盧豐, 龍東輝, 喬文明, 等. 有序中孔炭球的自組裝合成及其結(jié)構(gòu)控制j. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2009, 24(1):82-86.4 楊建文, 鐘暉, 鐘海云, 等. 無(wú)定形tio2合成尖晶石li4ti5o12的性能j. 過程工程學(xué)報(bào), 2005, 24(3):572-575.5 陳方, 梁海潮, 李仁貴, 等. 負(fù)極活性材料li4ti5o12的研究進(jìn)展j. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2005, 20(3):537

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17、7.15 高劍, 姜長(zhǎng)印, 應(yīng)皆榮, 等. 鋰離子電池負(fù)極材料欽酸鋰的研究進(jìn)展j. 電池, 2005, 35(5) :1556-1557.16 許江楓, 李建玲, 李文生, 等. 電極活性材料li4ti5o12的制備及其主要影響因素j. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2007, 2(5):880-884.17 鐘志強(qiáng), 岳敏. 改性鈦酸鋰負(fù)極材料合成及性能j:電池，2001，31(5):218-221.18 王姣麗. li4ti5o12 電極材料的二步煅燒固相反應(yīng)法合成及炭包覆改性研究d. 湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué), 2009, 1-46.研 究 計(jì) 劃時(shí)間安排1、第7學(xué)期第10周前完成論文選題及指導(dǎo)教師與學(xué)生的雙向選擇。第11周接受任務(wù)。2、第7學(xué)期第19周開始搜集、鑒別、整理所研究課題的相關(guān)文獻(xiàn)，同時(shí)撰寫開題報(bào)告工作。3、第8學(xué)期第1周做開題報(bào)告，進(jìn)行開題報(bào)告答辯。然后，更多地搜集相關(guān)文獻(xiàn)，仔細(xì)研讀，并開始進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。第10-14周在研讀文