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1、扬州大学本科生毕业论文 本科生毕业论文 毕业论文题目 新型锂离子电池负极材料Fe2SSe/碳化聚丙烯腈的制备及其电化学性能 学 生 姓 名 所 在 学 院 化学化工学院 专业及班级 指 导 教 师 完 成 日 期 2016年5月19日 22新型锂离子电池负极材料Fe2SSe/碳化聚丙烯腈的制备及其电化学性能摘要 随着环境污染与能源危机的形势日益严峻，研发节能环保的储能材料显得尤为迫切。二次电池被认为是最合适的选择之一，其中，锂离子电池由于其比容量高、循环寿命长、工作电压高、无污染等优点成为重点关注的课题。锂离子电池的迅猛发展，使人们在电池的性能和质量上提出了更高的要求。传统的负极材料由于低的能
2、量密度无法满足新一代锂离子电池对负极材料的需求。Fe2SSe具有高的理论能量密度和比容量，并且具有资源丰富、成本低廉和环境友好等优势，是一种极具发展潜力的二次锂离子电池负极材料。但是，目前对Fe2SSe的研究极少，因此探索具有优异电化学性能的Fe2SSe具有重要意义。本实验以铁粉，硒粉，硫粉和PAN（聚丙烯腈）为原料，通过一锅原位固相法制备了Fe2SSe/CPAN复合材料。一锅原位固相法操作步骤简单，设备要求简单，制备周期短。通过粉末X 射线衍射和扫描电子显微镜表征了它的物相、形貌和尺寸。并使用电化学工作站和电池充放电测试系统测试了Fe2SSe/CPAN复合材料的电化学性能。结果表明：采用一锅
3、原位固相法制备的Fe2SSe/CPAN复合材料的还原峰出现在1.4 V左右，氧化峰在1.8 V左右，首次放电比容量为699 mAh/g，40次充放电循环后，放电比容量为289 mAh/g。Fe2SSe/CPAN复合材料比Fe2SSe有更低的阻抗、更高的比容量和比FeS更好的循环性能。关键词：锂离子电池；负极材料；Fe2SSe/CPAN；电化学性能 AbstractBecause of the serious circumstance of the pollution and energy crisis, the development of new energy has become more
4、 and more emergent. Thanks to its high performances such as environment friendliness, long cycle life, high energy density and high voltage, lithium-ion battery has been of great concern in the research of new energy field. With the rapid development of lithium-ion battery, people make higher requir
5、ements on the performance and quality of the battery.Nowadays, because of some unsolved problems, the traditional anode materials cannot meet the need of anode materials for the new generation of lithium-ion battery. As the potential anode material has high theoretical energy density, specific capac
6、ity, rich resource, low cost and environmental friendly when using lithium as the against electrode, the research of this direction is so much. In this experiment, iron, selenium, sulfur and PAN (polyacrylonitrile) were mixed to obtain a homogenous powder particles. The prepared sheet was sealed in
7、the quartz tube under vacuum, and then the quartz tube furnace to be annealed at a high temperature, Fe2SSe/CPAN was prepared. The structure and electrochemical properties of Fe2SSe/CPAN composites were characterized by X-ray powder diffraction，scanning electron microscopy，constant current charge an
8、d discharge measurement，cyclic voltammetry and so on. The results suggested that the Fe2SSe/CPAN synthesized by high temperature solid state reaction has good layered structure and the first discharge capacity of Fe2SSe/CPAN was 699 mAh/g. The capacity and cycle performance of Fe2SSe/CPAN was better
9、 than FeSe and FeS.The Fe2SSe/CPAN electrode reflects the reversible lithium/lithium-ion removal process, which improved the electrochemical activity of the Fe2SSe/CPAN composite materials effectively and provided a new idea for the preparation of Fe2SSe/CPAN composite electrode materials. Studying
10、new materials, developing new technologies, and laying the technical foundation for further development of Li-ion battery.Key words: lithium-ion battery, anode material, Fe2SSe/CPAN, one-pot in-situ solid state reaction, electrochemical properties 一、前言1.1锂离子电池简介1.1.1锂离子电池发展不断加剧的环境污染问题和日益枯竭的资源问题，使新能源
11、领域的研究和开发，以及寻求提高能源利用率的新型材料，备受科技领域的关注。作为替代矿物资源的新能源化学电池，以其能量转换率高、能量密度高、可重复使用等优点得到迅速发展。目前市场上存在的化学电源主要包括镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池和锂离子电池等二次电池，而其中锂离子电池由于其独特的性能脱颖而出。与传统的二次电池相比，锂离子电池具有诸多优点，工作电压高、重量轻、体积更小，具有稳定的循环性能；此外，锂离子电池还具有工作温度范围宽、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点。虽然锂离子电池拥有这么多显著的优点，但是中国在锂离子电池方面的研究上相对来说时间比较短，就目前所取得的成果来看，研究主要集中在小型锂离子
12、电池的应用领域内，和发达国家的锂离子电池行业相比，仍具有较大的局限性。与此同时，大多数机动车与电动车上仍使用铅酸蓄电池作为电源动力源，这主要是因为锂离子电池的生产与应用技术要比其它可充电电池复杂的多。除此之外，在使用寿命和安全性上，锂离子电池同样存在着不足，需要进一步的改善和提高。就目前锂离子电池市场发展局势来看，便携式电子产品的发展极大的拓宽了高性能锂离子电池的市场需求。但是由于锂离子电池的综合技术发展不平衡，便携式电子产品对锂离子电池性能的要求仍然很难满足，其中最大的瓶颈就是手机电池的续航能力跟不上电子产品中其它部分的发展。尤其是目前我国已进入移动互联网时代，智能电子产品对高容量和高性能锂
13、离子电池的要求更加突出。人们对小型化、质量轻，高能量化的锂离子电池的需求已经越来越多。1.1.2锂离子电池的组成及基本原理 金属锂密度小，仅为0.53g/cm3，相对原子质量为6.941，标准电极电势低。不管是钢壳系列、铝壳系列、圆柱系列还是软包装系列的锂离子电池，其内部结构都是主要由正极、负极、电解液和隔膜组成。其中正负极和电解质直接参与到电池内部的电化学反应，是锂离子电池的关键所在。材料的性能制约着锂离子电池的性能的发展。锂离子电池的工作机理是锂离子在正极和负极之间移动实现能量转化。在充放电过程中，锂离子在正负电极之间往返进行 嵌入和脱嵌：充电时，锂离子（Li+）从正极脱嵌，经过电解质嵌入
14、负极，负极处于富锂状态；反之，电池处于放电状态时，锂离子（Li+）从负极化合物中脱出，并释放一个电子，其穿过电解质和隔膜并重新嵌入到正极化合物晶体中，与此同时，电子从外电路到达正极，保持正极电荷平衡。锂离子电池的充放电过程实际上就是锂离子在正负极材料之间来回脱出-嵌入的过程，而这种“脱出-嵌入”并不会破坏电极材料晶体结构，其具有理想的可逆性，从而使得电池具有很好的循环性能。 1.1.3 锂离子电池的特点与传统的镍镉、镍氢等二次电池相比，锂离子电池的优点如下：(1)工作电压高：电池单体电压一般可达3.23.7 V，几乎是镍氢电池或者镍镉电池的3倍；当场所需要高电压时，采用锂离子电池所需要串联的电
15、池个数更少，所占空间更小。(2)比能量大：目前锂离子电池的质量比能量为100180 Wh/kg，约为镍镉电池的23倍，镍氢电池的1.52.5倍 (3)循环寿命长：锂离子电池经过初始几次循环后，容量衰减非常缓慢，循环性能十分优良。目前商业应用的以LiFePO4为正极的锂离子电池在80%的放电深度下，可循环1500次以上；在30%放电深度下，循环寿命可达20万次。(4)自放电率低：在室温下，锂离子电池自放电率一般在68%，远低于镍镉电池的25%和镍氢电池的15%。这是因为在首次充放电过程中，碳负极表面形成了一层固体电解质相膜(solid electrolyte interface， SEI)，这层“钝化”膜只允许离子通过，电子无法通过，从而大大减缓了电池的自放电速度。(5)环境友好：锂离子电池不含有镉、银等污染元素，而且电池高度密封，对环境基本无污染。但是，锂离子电池也存在一些缺点：(1) 成本较高：正极材料和隔膜的价格较贵，电解质体系提纯困难。(2) 电池均一性较差：多个电池串联使用时，由于电池个体之间性能的差异，降低了循环寿命。随着LiMn2O4、LiFePO4等正极材料的不断发展和锂离子电池生产工艺的不断优化，
