异质层状材料moo3和膨胀石墨共球磨及其锂电性能研究【字数：11096】
本课题研究的主要内容是将三氧化钼和膨胀石墨（简称EG）共球磨，使这两种物质分别剥离并有效复合，并且研究这种复合材料的电化学性能。采用行星式球磨机，通过改变球磨珠的尺寸来确定较为合适的球磨条件，实验过程采用控制变量法来研究。试验中准备了50 μm的膨胀石墨以及0.3 mm、1 mm、2 mm、5 mm四种尺寸的氧化锆陶瓷球磨珠，同时按球料质量比为30:1、MoO3与EG质量比为5:1进行球磨。球磨后的复合材料进行了XRD、SEM、TEM、Raman等性能的表征测试，并研究了不同复合材料的物质组成、结构和微观形貌。研究发现，2 mm球磨珠球磨所得的复合材料的粒径尺寸最小，分布均匀，且两种物质复合程度最佳。此外，在实验过程中，还测试了球磨所得四种复合材料以及纯MoO3和纯EG所装的锂离子电池的CV性能、阻抗性能和充放电循环性能，分析了放电比容量和循环性能的不同。结果显示，2 mm球磨珠球磨得到的负极材料的嵌锂和脱嵌性能优异，阻抗最小，放电比容量首圈高达1121.4 mAh g-1，在70圈后还能达到828.7 mAh g-1，展现出了良好的循环性能。Ⅰ
Key words: molybdenum trioxide; expanded graphite; ballmilling; exfoliated and combined; Lithiumion battery 目 录
abstractⅡ
1.前言 1
1.1锂电池简介 1
1.1.1锂离子电池的发展历史 1
1.1.2锂离子电池的组成结构 2
1.1.3锂离子电池的工作原理 2
1.1.4锂离子电池的优势与劣势 3
1.2锂离子电池负极材料的研究进展 4
1.2.1碳基负极材料 4
1.2.2硅基负极材料 5
1.2.3过渡金属氧化物负极材料 5
1.3球磨工艺介绍 7
1.3.1研磨体运动状态的分类 7
1.3.2机械球磨剥离石墨烯的研究 8
1.4本课题研究的目的和意义 9
2.实验部分 10
2.1实验试剂与仪器 10
2.1.1化学试剂 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1.2实验仪器 10
2.2实验过程 11
2.2.1活性材料制备 11
2.2.2负极极片制备 11
2.2.3电池制备 11
2.3结构和形貌表征 12
2.4电化学性能测试 12
2.4.1电池充放电循环测试 12
2.4.2电池循环伏安测试 12
2.4.3电池阻抗性能测试 12
3.结果与分析 13
3.1 XRD表征 13
3.2 Raman表征 14
3.3 SEM分析 15
3.4 TEM分析 16
3.5电化学性能分析 17
4.结论 20
参考文献 21
致谢23
1.前言
1.1锂电池简介
1.1.1锂离子电池的发展历史
电池起源于1786年,意大利解剖学家伽伐尼发现用金属触碰青蛙的大腿会引起大腿肌肉抽搐，于是提出来了“生物电”的概念，伽伐尼的发现引起了物理学家们的好奇。1800年意大利物理学家伏特成功研发了世界上第一个电池“伏特电堆”。到了1836年，英国物理学家丹尼尔通过深入研究“伏特电堆”，又接连发明了效果更好的其他衍生电池，但这些电池罐装的液体在挪动搬运时很不方便并且存在危险。
在十九世纪中后期诞生了干电池和蓄电池，并将其实现了商品化。进入二十世纪后，电池的研发工作一直处于休止状态。在第二次世界大战后，各领域科学技术迅速发展，伴随天然能源的消耗以及生态环境的破坏，人们对化学电源的需求也日益增多，各种集成电路、化学电源等渐渐向小型化、高性能处发展，因此电池的研究重点转向了蓄电池。
1970年，美国埃克森的M.S.Whittingham使用TiS2作正极材料，用金属锂作负极材料研发了世界上第一个锂电池。但是这种采用金属锂为负极制成的锂电池存在重大的安全隐患，同时也对环境造成不小的污染。1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwala和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特点，这个过程快速且可逆，因此科学家们开始尝试用锂离子嵌入石墨层的特点制作可循环使用的二次电池，贝尔实验室研制出了世界上首个有效的锂离子石墨电极。
1992年，日本SONY公司发明了以碳材料为阴极，以含锂化合物为阳极的锂离子电池，相对于之前的锂电池，这种电池在循环过程中，没有金属锂的存在，只有锂离子在正极和负极之间来回嵌入与脱出，这便是锂离子电池。从此以后，锂离子电池成为热门研究领域[1]。
2015年三月，日本夏普与京都大学的田忠功教授合作研制出了一款“长寿”锂离子电池，使用寿命可达70年，体积为8立方厘米，充放电循环次数可至2.5万次。有关方面表示，在充放电1万次之后，依旧保持着良好的性能[2~5]。
1.1.2锂离子电池的组成结构
锂离子电池扣式电池一般是由正极壳、基体、活性物质、电解液、隔膜、锂片、泡沫镍和负极壳组成。锂片多采用的是锂的过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂等。电解液为一种纯离子导体，一般是溶解了锂盐的聚合物有机碳酸酯溶液，锂盐通常是六氟磷锂，用来分隔离子和电子的传递。而隔膜用聚乙烯微孔薄膜（PE）、聚丙烯微孔薄膜（PP）或者两种薄膜复合制成，薄膜将正负极隔离，阻碍电子通过，只允许锂离子通过，以防止正负极相连造成短路。正极材料活性物质的基体用铝箔，而负极材料活性物质的基体用铜箔。最后经过组装、封口、检测成合格的电池产品[5、6]。结构图如下图11所示。
图11 扣式电池内部结构图
1.1.3锂离子电池的工作原理
锂离子电池通常被称为摇椅式电池或震荡式电池[7]，它工作的实质就是锂离子在正极与负极之间的来回嵌入与脱出。以钴酸锂（LiCoO2）电池为例，正极为层状金属氧化物LiCoO2，负极为碳材料，当电池充电时，电子在外磁场力作用下，在外部通过电池壳从负极到正极。电池正极上生成Li+，Li+经过电解液穿过隔膜到负极，而负极的碳材料也为层状结构，具有很多微孔，方便Li+的嵌入，此时正极渐渐处于贫锂状态，正极渐渐处于富锂状态，负极嵌入的Li+越多，则充电容量越高。同理，电池放电时，电子从外部由正极到负极，内部嵌在负极碳层上的Li+又脱出，进入电解液经过隔膜回到正极的。放电完成后，负极处于贫锂状态，而正极处于富锂状态。返回正极的Li+越多，则放电比容量就越高[8]。在充放电的过程中，只引起层间距的变化，电极材料的化学结构不会遭到破坏，因此是一种非常理想的可逆过程。
Key words: molybdenum trioxide; expanded graphite; ballmilling; exfoliated and combined; Lithiumion battery 目 录
abstractⅡ
1.前言 1
1.1锂电池简介 1
1.1.1锂离子电池的发展历史 1
1.1.2锂离子电池的组成结构 2
1.1.3锂离子电池的工作原理 2
1.1.4锂离子电池的优势与劣势 3
1.2锂离子电池负极材料的研究进展 4
1.2.1碳基负极材料 4
1.2.2硅基负极材料 5
1.2.3过渡金属氧化物负极材料 5
1.3球磨工艺介绍 7
1.3.1研磨体运动状态的分类 7
1.3.2机械球磨剥离石墨烯的研究 8
1.4本课题研究的目的和意义 9
2.实验部分 10
2.1实验试剂与仪器 10
2.1.1化学试剂 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1.2实验仪器 10
2.2实验过程 11
2.2.1活性材料制备 11
2.2.2负极极片制备 11
2.2.3电池制备 11
2.3结构和形貌表征 12
2.4电化学性能测试 12
2.4.1电池充放电循环测试 12
2.4.2电池循环伏安测试 12
2.4.3电池阻抗性能测试 12
3.结果与分析 13
3.1 XRD表征 13
3.2 Raman表征 14
3.3 SEM分析 15
3.4 TEM分析 16
3.5电化学性能分析 17
4.结论 20
参考文献 21
致谢23
1.前言
1.1锂电池简介
1.1.1锂离子电池的发展历史
电池起源于1786年,意大利解剖学家伽伐尼发现用金属触碰青蛙的大腿会引起大腿肌肉抽搐，于是提出来了“生物电”的概念，伽伐尼的发现引起了物理学家们的好奇。1800年意大利物理学家伏特成功研发了世界上第一个电池“伏特电堆”。到了1836年，英国物理学家丹尼尔通过深入研究“伏特电堆”，又接连发明了效果更好的其他衍生电池，但这些电池罐装的液体在挪动搬运时很不方便并且存在危险。
在十九世纪中后期诞生了干电池和蓄电池，并将其实现了商品化。进入二十世纪后，电池的研发工作一直处于休止状态。在第二次世界大战后，各领域科学技术迅速发展，伴随天然能源的消耗以及生态环境的破坏，人们对化学电源的需求也日益增多，各种集成电路、化学电源等渐渐向小型化、高性能处发展，因此电池的研究重点转向了蓄电池。
1970年，美国埃克森的M.S.Whittingham使用TiS2作正极材料，用金属锂作负极材料研发了世界上第一个锂电池。但是这种采用金属锂为负极制成的锂电池存在重大的安全隐患，同时也对环境造成不小的污染。1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwala和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特点，这个过程快速且可逆，因此科学家们开始尝试用锂离子嵌入石墨层的特点制作可循环使用的二次电池，贝尔实验室研制出了世界上首个有效的锂离子石墨电极。
1992年，日本SONY公司发明了以碳材料为阴极，以含锂化合物为阳极的锂离子电池，相对于之前的锂电池，这种电池在循环过程中，没有金属锂的存在，只有锂离子在正极和负极之间来回嵌入与脱出，这便是锂离子电池。从此以后，锂离子电池成为热门研究领域[1]。
2015年三月，日本夏普与京都大学的田忠功教授合作研制出了一款“长寿”锂离子电池，使用寿命可达70年，体积为8立方厘米，充放电循环次数可至2.5万次。有关方面表示，在充放电1万次之后，依旧保持着良好的性能[2~5]。
1.1.2锂离子电池的组成结构
锂离子电池扣式电池一般是由正极壳、基体、活性物质、电解液、隔膜、锂片、泡沫镍和负极壳组成。锂片多采用的是锂的过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂等。电解液为一种纯离子导体，一般是溶解了锂盐的聚合物有机碳酸酯溶液，锂盐通常是六氟磷锂，用来分隔离子和电子的传递。而隔膜用聚乙烯微孔薄膜（PE）、聚丙烯微孔薄膜（PP）或者两种薄膜复合制成，薄膜将正负极隔离，阻碍电子通过，只允许锂离子通过，以防止正负极相连造成短路。正极材料活性物质的基体用铝箔，而负极材料活性物质的基体用铜箔。最后经过组装、封口、检测成合格的电池产品[5、6]。结构图如下图11所示。
图11 扣式电池内部结构图
1.1.3锂离子电池的工作原理
锂离子电池通常被称为摇椅式电池或震荡式电池[7]，它工作的实质就是锂离子在正极与负极之间的来回嵌入与脱出。以钴酸锂（LiCoO2）电池为例，正极为层状金属氧化物LiCoO2，负极为碳材料，当电池充电时，电子在外磁场力作用下，在外部通过电池壳从负极到正极。电池正极上生成Li+，Li+经过电解液穿过隔膜到负极，而负极的碳材料也为层状结构，具有很多微孔，方便Li+的嵌入，此时正极渐渐处于贫锂状态，正极渐渐处于富锂状态，负极嵌入的Li+越多，则充电容量越高。同理，电池放电时，电子从外部由正极到负极，内部嵌在负极碳层上的Li+又脱出，进入电解液经过隔膜回到正极的。放电完成后，负极处于贫锂状态，而正极处于富锂状态。返回正极的Li+越多，则放电比容量就越高[8]。在充放电的过程中，只引起层间距的变化，电极材料的化学结构不会遭到破坏，因此是一种非常理想的可逆过程。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/yyhx/147.html
