硫钼酸铵和膨胀石墨共球磨及其锂电性能研究【字数：9589】
以硫钼酸氨和膨胀石墨为原料，采用球磨法制备出了层状（NH4）2MoS4/石墨烯复合材料。将制备好的(NH4)2MoS4/G在250℃，400℃和500℃的N2气氛中退火2h，制备成层状MoS2/G复合材料，用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱和高分辨率透射电子显微镜对样品进行了系统的研究。 在本工作中，将5mm和2mm研磨珠分别以全5mm，61（5mm2mm），31（5mm2mm），11（5mm2mm）和全2mm的质量比混合研磨以硫钼酸氨和膨胀石墨的原料制备层状（NH4）2MoS4/石墨烯复合材料，再将制备好的样品分别在250℃，400℃和500℃的N2气氛中退火，制备成层状MoS2/G复合材料，将该材料经过拌浆涂膜制备锂电池，观察其循环性能，再拿出新电池测试CV (循环伏安)和阻抗。并对样品进行表征。
目录
1.引言 1
1.1 概述 1
1.2锂离子电池的研究背景 1
1.3锂离子电池的简介 2
1.3.1锂离子电池的特点和工作原理 2
1.3.2 锂离子电池负极材料的研究现状与进展 3
1.4本实验研究的主要意义 4
2 实验部分 5
2.1 实验药品 5
2.2 实验仪器 5
2.3 MoS2/G复合材料的制备 5
2.4 电极的制备 6
2.5 测试内容及结构表征 7
2.5.1 X射线衍射(XRD)分析 7
2.5.2扫描电子显微镜（SEM）分析 8
2.5.3电化学性能测试 8
2.5.4 交流阻抗测试 8
2.5.5 循环伏安法(CV) 8
3 结果与讨论 9
3.1 XRD图谱分析 9
3.2 产物的形貌分析 11
3.3 循环伏安分析 12
3.4 交流阻抗分析 15
3.5 变倍率充放电性能分析 18
3.6 恒倍率充放电性能分析 19
结论 20
参考文献 21
致谢 22
1.引言
1.1 概述 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
最早的锂离子电池大部分技术发展侧重于便捷电子设备，后面制备出的电池性能更加倾向于满足大众型设备，如电动汽车和储能系统。
基于太阳能，风能，潮汐能，地热能等[1，2]再生资源需要在不同的时间段内进行储存，他们都存在这同一个问题，它们无法实现连续供能，如不能连续从几秒到几个月不等的时间输送能量，正是这些问题的局限性，也加快了研究者们对锂离子电池的研究进展。目前，能快速实现能量转化和储存的二级电池取得了重大进展。
由于锂离子电池具有高比能量，环保和使用寿命长等优点，相比于其他一次电池和二次电池 ，锂离子电池具备更好的优势。研究者们开始越发关注锂离子电池。
1.2锂离子电池的研究背景
第一次工业革命开始，人们一直开始使用石油，煤等不可再生资源，随着用量越来越多，导致出现了一系列环境问题，如温室效应，酸雨等。这也迫使研究者们开始关注新能源电池。随着国家经济的飞速发展，中国能源产量的日益增加，但能源的使用量也在不断增加，使得可再生资源也变得越来越少，随着温室效应，酸雨等环境问题日益严重。这也使得我国不得不做出改变。当前经济和文化高速发展，可再生资源储量有限，且其在燃烧过程中会产生的大量氮化物和硫化物，这是导致酸雨和温室效应等环境问题的主要原因。因而我国需要不断贯彻可持续发展理念。可持续发展理念必须要深刻印入国民的心里。推崇可持续发展理念的同时，寻找绿色新能源也已迫在眉睫]。锂离子电池也正是在这样的情况下不断收到关注和发展。20世纪80年代开始，随着摄像机，手机以及笔记本电脑等电子产品的发展，人们逐渐开始认识锂离子电池，对锂离子电池的印象也越来越深刻。当前人们的生活条件越来越好，因而对可充电电池有了更高的要求：容量要越来越大，而相对应的体积以及质量也要越来越小。然而当时传统的以商业化以及正在研发中的可充电电池包括铅酸电池,镍氢电池和镍镉电池均采用水性电解液，而水性电解液使得电池在增加能量密度以及减少体积，质量时收到一定的限制。所以，当前迫切需要一种全新的，体积小的，质量轻的可充电电池来满足人们实际生活的需求[3]。自此，锂离子电池成为了解决匮乏资源和保护环境的主导者，也成为了研究者们关注的核心。
1.3锂离子电池的简介
1.3.1锂离子电池的特点和工作原理
锂离子电池实际上是一种Li+在阴、阳两个电极之间进行反复嵌人和脱出的新型二次电池，是一种锂离子浓差电池[4]。在充电状态时，电池的正极反应产生了锂离子和电子，电子即负电荷通过外电路从电池的正极向负极迁移，从而形成负极流向正极的电流。与此同时，正极反应产生的锂离子通过电池内部的电解液，透过隔膜迁移到负极区城，并嵌人负极活性物质的微孔中，结合外电路过来的电子生成LixC6，在电池内部形成从正极流向负极且与外电路大小一样的电流， 最终形成完整的团合回路:放电过程则正好相反。充电时[5~7]，嵌人负极中的锂离子越多，表明充电容量越高:电池放电时，嵌人负极活性物层间的锂离子脱出，又迁移到正极中去，返回到正极中的锂离子越多，放电容量就越高。在正常充电和放电过程中，随着反应的增加，不会对活性物质产生一定的影响，从而对电极产生一定的影响，也不会破坏电极的结构 [8]，，也不会影响锂离子的流动，因而其充放电性能较好。以磷酸亚铁锂/石墨锂离子电池为例，其工作原理示意图如下图所示。
图1.1所示为磷酸亚铁锂/石墨锂离子电池充放电工作原理示意图
当锂电池充电时，Li+从正极LiFePO4晶格中脱嵌出来，经过电解液嵌入负极，使正极成为贫锂状态而负极相对处于富锂状态。在Li+流动的同时释放出了一个电子，正极发生氧化反应，Fe电价增高，游离出的Li+则通过隔膜嵌人石墨，形成LixC6的插层化合物，负极发生还原反应;放电则反之，Li+从石墨中脱出，重新嵌人FePO4中，Fe由+3价降为+2价，同时电子从负极流出，经外电路流向正极从而保持电荷平衡。电极反应如下。
正极: LiFePO4=Li1xFePO4 +xe+xLi+
负极: 6C+xLi+ +xe=LixC6
总电极反应: 6C+LiFePO4=LixC6+Li1xFePO4
从以上可知，锂离子电池的核心主要是正、负极材料，这直接决定了锂电池的工作电压以及循环性能.
1.3.2 锂离子电池负极材料的研究现状与进展
锂离子电池的性能主要是由活性物质决定的[9]。负极性能的改善也会提高电池整体性能。因而，高性能负极材料的开发与研究对于锂电池的研究起到了至关重要的作用。锂离子电池的性能大小与负极材料息息相关。负极材料的活性物质直接决定了锂离子电池性能的好坏。当前备受关注的阳极材料是石墨，如果在电池阳极采用石墨，则碳酸丙烯酯作为一种常用的有机电解液溶剂会在充电过程中分解。此外，使用固体电解质[10]会导致电池的阻抗过高而影响实际的充放电过程。这一点是十分重要的。曾将尝试着一种锂离子电池的工作模型:采用 Licoo2作为阴极材料，而聚乙炔作为阳极材料，但最终否定了聚乙炔，因为它的密度较低(体积大)不利于电池体积的缩减[11~15]。通过对几种含碳材料作阳极的研究，事实证明具有一定晶体结构的含碳材料可以使得电池拥有更高的容量[16~20]，而且不会像石墨那样引起碳酸丙烯酯电解质的分解。基于这些新材料组装出来的二次电池具有更稳定的充放电性能。一个典型的锂离子电池是将多层电极置入电池壳中组装而成，多层电极的制备则是通过在正极极片和负极极片中间加入隔膜，之后卷绕而成;在电池壳中加入溶有LiPF。或LiBF4溶质的碳酸酯有机溶剂所构成的电解液[21]，之后密封。阴极和阳极均是由将电极材料双面涂覆在导电集流体上构建而成。导电集流体能够将电子从活性电极材料内部传导到电极终端的极耳处。铝箔常作为阴极集流体，而铜简则作为阳极集流体，它们的厚度大约为10pm，这样装配的电池会采用一种“滥用测试”的方法来检测其安全性能，用于证明这种基本的锂离子电池设计可以承受所需级别的安全性，为今天所熟识的商业化锂离子电池英定基础非水电解液的离子导电性要比水性电解液的低，所以为了获得跟采用水性电解液时相提并论的放电功率，需要降低给定电极表面上的电流密度以阻止过多的产生焦耳热。通过发明将平片状电极绕成卷状的方法，使电池即使采用非水电解液也能获得较高的放电电流。实际应用中也可以通过组装薄膜电极(100250m)的工艺来实现:比如采用薄金属箔（例如铜箔和铝箔）作为集流体，在其表面上涂上活性物质，作为最核心的部分。
目录
1.引言 1
1.1 概述 1
1.2锂离子电池的研究背景 1
1.3锂离子电池的简介 2
1.3.1锂离子电池的特点和工作原理 2
1.3.2 锂离子电池负极材料的研究现状与进展 3
1.4本实验研究的主要意义 4
2 实验部分 5
2.1 实验药品 5
2.2 实验仪器 5
2.3 MoS2/G复合材料的制备 5
2.4 电极的制备 6
2.5 测试内容及结构表征 7
2.5.1 X射线衍射(XRD)分析 7
2.5.2扫描电子显微镜（SEM）分析 8
2.5.3电化学性能测试 8
2.5.4 交流阻抗测试 8
2.5.5 循环伏安法(CV) 8
3 结果与讨论 9
3.1 XRD图谱分析 9
3.2 产物的形貌分析 11
3.3 循环伏安分析 12
3.4 交流阻抗分析 15
3.5 变倍率充放电性能分析 18
3.6 恒倍率充放电性能分析 19
结论 20
参考文献 21
致谢 22
1.引言
1.1 概述 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
最早的锂离子电池大部分技术发展侧重于便捷电子设备，后面制备出的电池性能更加倾向于满足大众型设备，如电动汽车和储能系统。
基于太阳能，风能，潮汐能，地热能等[1，2]再生资源需要在不同的时间段内进行储存，他们都存在这同一个问题，它们无法实现连续供能，如不能连续从几秒到几个月不等的时间输送能量，正是这些问题的局限性，也加快了研究者们对锂离子电池的研究进展。目前，能快速实现能量转化和储存的二级电池取得了重大进展。
由于锂离子电池具有高比能量，环保和使用寿命长等优点，相比于其他一次电池和二次电池 ，锂离子电池具备更好的优势。研究者们开始越发关注锂离子电池。
1.2锂离子电池的研究背景
第一次工业革命开始，人们一直开始使用石油，煤等不可再生资源，随着用量越来越多，导致出现了一系列环境问题，如温室效应，酸雨等。这也迫使研究者们开始关注新能源电池。随着国家经济的飞速发展，中国能源产量的日益增加，但能源的使用量也在不断增加，使得可再生资源也变得越来越少，随着温室效应，酸雨等环境问题日益严重。这也使得我国不得不做出改变。当前经济和文化高速发展，可再生资源储量有限，且其在燃烧过程中会产生的大量氮化物和硫化物，这是导致酸雨和温室效应等环境问题的主要原因。因而我国需要不断贯彻可持续发展理念。可持续发展理念必须要深刻印入国民的心里。推崇可持续发展理念的同时，寻找绿色新能源也已迫在眉睫]。锂离子电池也正是在这样的情况下不断收到关注和发展。20世纪80年代开始，随着摄像机，手机以及笔记本电脑等电子产品的发展，人们逐渐开始认识锂离子电池，对锂离子电池的印象也越来越深刻。当前人们的生活条件越来越好，因而对可充电电池有了更高的要求：容量要越来越大，而相对应的体积以及质量也要越来越小。然而当时传统的以商业化以及正在研发中的可充电电池包括铅酸电池,镍氢电池和镍镉电池均采用水性电解液，而水性电解液使得电池在增加能量密度以及减少体积，质量时收到一定的限制。所以，当前迫切需要一种全新的，体积小的，质量轻的可充电电池来满足人们实际生活的需求[3]。自此，锂离子电池成为了解决匮乏资源和保护环境的主导者，也成为了研究者们关注的核心。
1.3锂离子电池的简介
1.3.1锂离子电池的特点和工作原理
锂离子电池实际上是一种Li+在阴、阳两个电极之间进行反复嵌人和脱出的新型二次电池，是一种锂离子浓差电池[4]。在充电状态时，电池的正极反应产生了锂离子和电子，电子即负电荷通过外电路从电池的正极向负极迁移，从而形成负极流向正极的电流。与此同时，正极反应产生的锂离子通过电池内部的电解液，透过隔膜迁移到负极区城，并嵌人负极活性物质的微孔中，结合外电路过来的电子生成LixC6，在电池内部形成从正极流向负极且与外电路大小一样的电流， 最终形成完整的团合回路:放电过程则正好相反。充电时[5~7]，嵌人负极中的锂离子越多，表明充电容量越高:电池放电时，嵌人负极活性物层间的锂离子脱出，又迁移到正极中去，返回到正极中的锂离子越多，放电容量就越高。在正常充电和放电过程中，随着反应的增加，不会对活性物质产生一定的影响，从而对电极产生一定的影响，也不会破坏电极的结构 [8]，，也不会影响锂离子的流动，因而其充放电性能较好。以磷酸亚铁锂/石墨锂离子电池为例，其工作原理示意图如下图所示。
图1.1所示为磷酸亚铁锂/石墨锂离子电池充放电工作原理示意图
当锂电池充电时，Li+从正极LiFePO4晶格中脱嵌出来，经过电解液嵌入负极，使正极成为贫锂状态而负极相对处于富锂状态。在Li+流动的同时释放出了一个电子，正极发生氧化反应，Fe电价增高，游离出的Li+则通过隔膜嵌人石墨，形成LixC6的插层化合物，负极发生还原反应;放电则反之，Li+从石墨中脱出，重新嵌人FePO4中，Fe由+3价降为+2价，同时电子从负极流出，经外电路流向正极从而保持电荷平衡。电极反应如下。
正极: LiFePO4=Li1xFePO4 +xe+xLi+
负极: 6C+xLi+ +xe=LixC6
总电极反应: 6C+LiFePO4=LixC6+Li1xFePO4
从以上可知，锂离子电池的核心主要是正、负极材料，这直接决定了锂电池的工作电压以及循环性能.
1.3.2 锂离子电池负极材料的研究现状与进展
锂离子电池的性能主要是由活性物质决定的[9]。负极性能的改善也会提高电池整体性能。因而，高性能负极材料的开发与研究对于锂电池的研究起到了至关重要的作用。锂离子电池的性能大小与负极材料息息相关。负极材料的活性物质直接决定了锂离子电池性能的好坏。当前备受关注的阳极材料是石墨，如果在电池阳极采用石墨，则碳酸丙烯酯作为一种常用的有机电解液溶剂会在充电过程中分解。此外，使用固体电解质[10]会导致电池的阻抗过高而影响实际的充放电过程。这一点是十分重要的。曾将尝试着一种锂离子电池的工作模型:采用 Licoo2作为阴极材料，而聚乙炔作为阳极材料，但最终否定了聚乙炔，因为它的密度较低(体积大)不利于电池体积的缩减[11~15]。通过对几种含碳材料作阳极的研究，事实证明具有一定晶体结构的含碳材料可以使得电池拥有更高的容量[16~20]，而且不会像石墨那样引起碳酸丙烯酯电解质的分解。基于这些新材料组装出来的二次电池具有更稳定的充放电性能。一个典型的锂离子电池是将多层电极置入电池壳中组装而成，多层电极的制备则是通过在正极极片和负极极片中间加入隔膜，之后卷绕而成;在电池壳中加入溶有LiPF。或LiBF4溶质的碳酸酯有机溶剂所构成的电解液[21]，之后密封。阴极和阳极均是由将电极材料双面涂覆在导电集流体上构建而成。导电集流体能够将电子从活性电极材料内部传导到电极终端的极耳处。铝箔常作为阴极集流体，而铜简则作为阳极集流体，它们的厚度大约为10pm，这样装配的电池会采用一种“滥用测试”的方法来检测其安全性能，用于证明这种基本的锂离子电池设计可以承受所需级别的安全性，为今天所熟识的商业化锂离子电池英定基础非水电解液的离子导电性要比水性电解液的低，所以为了获得跟采用水性电解液时相提并论的放电功率，需要降低给定电极表面上的电流密度以阻止过多的产生焦耳热。通过发明将平片状电极绕成卷状的方法，使电池即使采用非水电解液也能获得较高的放电电流。实际应用中也可以通过组装薄膜电极(100250m)的工艺来实现:比如采用薄金属箔（例如铜箔和铝箔）作为集流体，在其表面上涂上活性物质，作为最核心的部分。
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