碳复合硅酸钴锂的溶剂热合成及其储锂问题分析【文献综述】.doc

文献综述 化学 碳复合硅酸钴锂的溶剂热合成及其储锂问题分析 摘要：利用乙二醇，水，葡萄糖运用水热法合成硬碳球，利用锂源、钴源、硅源及碳球等运用溶剂热法合成碳复合硅酸钴锂正极材料。利用蓝电电池测试系统和电化学工作站对碳复合硅酸钴锂正极材料在不同的环境温度和电流密度下的嵌脱锂特征进行详细分析，并结合X射线粉末衍射等分析技术研究这些因素对材料的结构变化、可逆容量和循环性能的影响。最后，系统总结出适合锂离子电池用硅酸铁锂正极材料的最佳环境温度、电流密度等工作参数。 研究历史/现状：锂离子蓄电池自20 世纪90 年代商业化以来，广泛应用于各种便携式电子产品，并成为电动车和混合动力车的储能装置。由于具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应以及环境友好等优点而成为便携式电子产品的理想电源。近年来新一代电子产品及动力工具的进一步开发导致对电源系统的比能量和比功率提出了更高要求, 而新型高容量电极材料特别是正极材料的设计与制备是获得高性能锂电池的关键。 石油的有限储量和汽车造成的严重环境污染是目前人类面临的紧迫性世界难题,以电池为动力源的电动汽车(EV) 和混合动力汽车(HEV) ,是近年来发达国家竞相研究开发的热点之一,电池是电动汽车的关键部件. 1991年，日本SONY公司推出了第一代商业化锂离子电池，采用LiCoO2[1]为正极。 1997年，Good enough研究小组首次报道了一类新型锂离子电池正极材料Li2MSiO4（M=Fe，Mn，Co，Ni）[2]，但是LiMPO4(M =Fe，Mn，Co，Ni)材料理论容量较低，并且电子电导率与振实密度很难同时提高，难以满足新一代大容量锂二次电池的需要。 2000年，美国有专利报道了用Li2MSiO4[3] (M =Fe，Mn，Co，Ni)作为锂离子电池正极材料的可能。 2005年，瑞典乌普萨拉大学的Nyte′n博士首次合成出Li2FeSiO4锂离子电池正极材料，得到较为理想的电化学性能。由于硅酸盐具有原料易得及低成本等诱人的特点，以Li2FeSiO4为代表的Li2MSiO4[4] (M =Fe，Mn，Co，Ni)一系列新型正极材料迅速引起众多研究人员的关注。 2007年，复旦大学吴济今等通过反应性脉冲激光沉积法制备获得硅酸钴锂材料。该薄膜制成的电极，具有良好的充放电循环可逆性，由硅酸钴锂薄膜制成的电极的可逆比容量为60mAh/g左右。电极经100次循环后容量仍有50mAh/g。 Li2CoSiO4[5]属于正交晶系,空间群Pmn21,品格常数a=0.6287nm,b= 0.5353 nm,c =0.4937nm。 Li2CoSiO4的合成方法有液相法和水热合成法[8]。XRD分析显示液相法合成材料中存在Co3O4杂质， 而水热合成法材料中也存在两种杂质，Li2CoSiO4的脱嵌锂电压为4.1 V ， 液相法得到的正极材料， 首次电化学循环过程中仅有0.26倍锂离子可逆脱嵌, 材料表面包覆碳以后, 有0.46倍锂离子可逆脱嵌[6]；水热合成法[7]得到的正极材料, 首次电化学循环过程巾有0.41倍的锂离子可逆脱嵌, 两种方法合成的材料第一次充放电循环的不可逆容量均较大。理论计算也表明Li2CoSiO 4比Li 2MnSiO4。具有更高的脱嵌锂电压[9]。 Z. L.Gong 等利用高温热解[11]和水热[12]2种方法制备了Li2CoSiO4 及Li2CoSiO4 / C 复合材料[10] 。图2 为热解法制备的Li2CoSiO4和Li2CoSiO4 /C 材料的充放电曲线[11], 可以看出, 材料的充电( 脱锂) 电压平台为4. 3V, 放电电压平台[13]为4. 1V, 因此相对于Li2 FeSiO4 和Li2MnSiO4材料, Li2CoSiO4具有更高的充放电电压平台[14]。Li2CoSiO4 /C 材料的首次充电容量可以达到234mAh/g, 首次放电容量仅为75mAh/g。因此提高首次充放电效率是聚阴离子型硅酸盐正极材料得以实用化的关键技术和研究重点[15]。 热解法制备的Li2CoSiO4 和Li2CoSiO4/ C 的充放电曲线 课题研究的主要内容 通过溶剂热法获得纳米碳球与硅酸硅锂相复合的锂离子电池正极材料,评价合成条件对材料制备的影响,分析所得的材料的结构和电化学性能,并优化合成工艺,以获得具有优异储锂性能的碳复合硅酸钴锂正极材料。 1.?以乙二醇和水为介质,通过葡萄糖的脱水缩聚反应,获得硬碳球,运用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射和红外振动光谱分析分析硬碳球的形貌、尺寸及结构。 2.?将纳米碳球作为负载材料,使得一定化学计量比的氯化钴、纳米二氧化硅、氢氧化锂通过溶剂热的方法,反应生成硅酸钴锂并负载在纳米碳球表面,并运用扫描电子显微镜、