锂离子电池的制备合成及性能测定实验报告.docx

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2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、LiNiO、LiMnO、LiFePO2 2 2 4 4⑵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=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，醋酸钻，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 Co Mn O :分别称取摩尔比为1： 1： 1的醋酸镍1/3 1/3 1/3 2(Ni(CH COO) ・4HO)、醋酸钻(Co(CH COO)・4H O)、醋酸锰(Mn(CH COO)・4H O)，用去3 2 2 3 2 2 3 2 2离子水溶解，溶液金属离子总浓度为1mol・L-1快速搅拌的同时逐滴加入NaCO溶液，23用NH3・H2O控制反应的pH值在8〜12之间，温度恒定在40〜80°C之间，生成有着均匀阳离子分布的三元混合碳酸盐Ni Co Mn CO,反应完成后继续陈化18h将所得碳酸 1/3 1/3 1/3 3盐沉淀过滤，并用去离子水多次洗涤，以彻底除去所残留的锂盐、钠盐然后将沉淀物置于鼓风烘箱中85°C干燥12h干燥后按化学计量比1:1.05与LiOH・HO在研钵中彻 2底混合，将沉淀物干燥后置于电阻炉中，在空气氛围下于600C-900C烧结。

2. 组装模拟电池按80:10:10(wt%)称取所制备的活性物质LiNi Co Mn 0、乙炔黑、粘接剂PVDF， 0.4 0.2 0.4 2将前两者充分混合后加入到溶解了 PVDF的NMP中，充分混合调至糊状后将其均匀地涂 布在铝箔上，然后于真空干燥箱中120C干燥4h后取出，裁成直径为1.2cm的圆片以金属锂片为负极，Celgard2400微孔聚丙烯膜为隔膜，以1mol/L LiPF6/EC+DMC+EMC (1:1:1体积比)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成CR2025型扣式电池，然后静 置一段时间即可测试3. 循环性能的测定(1) 连接模拟电池与测试装置：循环伏安法测试采用三电极实验电池体系进行，三 电极实验电池体系依次放入锂对电极、锂参比电极、膈膜及制备好的正极，加入电解液， 再组装成三电极实验电池；测试仪器采用上海辰华仪器公司的CHI660a电化学工作站；(2) 置试验参数：锂离子电池：以0.1C恒流充电至4.5， 1C恒流放电，终止电压为3.0V的放电制 度开始试验；(3) 验结果保存及处理四.实验测定结果及分析1. 循环性能的测定(1)锂离子电极材料的循环伏安曲线0.0000 2 -0.0000 0 --□ 0000 2June 3,2010 D3 29 13Cyclic VoltammetryFile: 电化Cat a Sou rce. Expe rim entI nstru me nt M odel: CHI Q 60 Header:Note:Init E(V)= 2.56High E (V) - 4.5Lqaj E (V) = 2.56Liil P/N =Scan Rate = 1e-4Segm ent = 2Sample Interval (V) - 0.001Quiet Time (sec) = 2Sensitrvrty (AA0 二segm ent 1Ssgm ent 20 00004-0 00004 --0 0000 6 --0 ooaoe -5 4 3PotentialA/Juried. 2010 09:38:38Cyclic VoltammetryFile: E电fE07M- 1.MData Source ExperimentI n stru m ent M odel: CH 1660 Header:Note:InitE (V) = 2.S3High E (V) = 4.5L ow E (V) = 2 59Imt P/N - F1Scan 尺曰ls (V/5] = 1^4Segment - 2Sample Interval [ VJ 二 0.001 Quiet Time ( mc) = 2 Sensitivity (JW) = 1e-6Segment 1Segment 2.图(a)DJ300 0D --0.000 0 2 一vgtbLMamu□ .□0002 --0.00004 --O& -0.00008 一-0.00010 -5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1 .5 1.0PotentialA/图(b)（2）测定结果分析图（a）、图（b）是LiNi Co Mn O作为锂离子电池电极材料的循环伏安图，1/3 1/3 1/3 2扫描电压范围是1.0V5 0V，首次扫描的主要阴极峰出现在3.9V，所对应的是第一个锂 的嵌入过程，但是这个峰在后来的一周扫描过程中消失了，表明这个过程是不可逆的， 说明锂的嵌入反应机理发生了明显的改变。

第二周之后的循环伏安图与第二周基本相 似，说明随后的反应可逆性好2. 交流阻抗的测定(1)锂离子电极材料的交流阻抗图June ^1,2010 1047:1 Tech: IMPF e 1-2.binnitE(V] = 3 ISH yh Freq (Hz) = 1e+5 溯 Freq (Hz) = 0.01Amplitude (V) = 0.005 Qu etTime 闾=2 Cytl&5(.1-1HzJ = 5 CycleE (.01-lHz) = 2 Cy■: es (.001-.01 Hz] = 1ZT / le+4ohmx=8 + 013e+2 y=9+ 557e+31号电池的交流阻抗曲线June 3. 2010 09:08 35Tech: IMP•y 5< "inn t E W) = 3High Ff^q (Hz) =10+5 Low Freq (Hz) = 0.5 Ampl Dude(v\ = c DOS QuidLTime(5)= 2 Cycles (1-Hz) = 5 Cy：leE(.01-.1Hz) = 2 C^les(.001-.01Hz) = 1Z* / ohm5号电池的交流阻抗曲线图(2)测定结果分析由上面1号电池的交流阻抗曲线可以得出：前面的圆是表示电化学极化。

它的半径 比5号电池大，说明它的电荷迁移电阻较大中间拐角是表征着混合控制，后面的斜线 是表征着浓差极化，它的斜率比5号电池大，值大于1，说明它的扩散电阻大电池性 能比5号电池差由上面5号电池可以得出：前面的圆是表示电化学极化它的半径比1号电池小， 说明它的电荷迁移电阻较小中间拐角是表征着混合控制，后面的斜线是表征着浓差极 化，它的斜率接近1，说明它的扩散电阻比1号电池小，电池性能比较好3. 比较说明工艺条件对电极材料循环性能的影响① 温度的影响要选择适当的温度，过高或过低都会对它的循环性能有所影响② 电解液组成的影响若电解液分解了将降低它的性能③ 溶液PH值的影响一般我们控制在10左右④ 抽滤的操作多次用清水洗，去除其他杂质，以保证正极材料的质量⑤ 电极结构与电极材料的影响若正极活性物质结构发生严重变化时，将降低电极材料 的循环性能⑥ 粉体晶粒大小的影响若粉体表面被研磨的不是很光滑细腻，则它的比表面积降低， 因而影响它的循环性能。