锂离子电池的制备合成及性能测定实验报告

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LiCoO2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LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。⑵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，醋酸钴，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LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2：分别称取摩尔比为1：1：1的醋酸镍(Ni(CH3COO)2·4H2O)、醋酸钴 (Co(CH3COO)2·4H2O)、醋酸锰 (Mn(CH3COO)2·4H2O)，用去离子水溶解，溶液金属离子总浓度为1mol·L-1。快速搅拌的同时逐滴加入Na2CO3溶液，用NH3·H2O控制反应的pH值在8～12之间，温度恒定在40～80℃之间，生成有着均匀

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阳离子分布的三元混合碳酸盐Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3，反应完成后继续陈化18h。将所得碳酸盐沉淀过滤，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℃干燥12h。干燥后按化学计量比1:1.05与 LiOH·H2O在研钵中彻底混合，将沉淀物干燥后置于电阻炉中，在空气氛围下于600℃-900℃烧结。

2.组装模拟电池

按80:10:10（wt%）称取所制备的活性物质LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2、乙炔黑、粘接剂PVDF，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120℃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

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图（a）

图（b）

(2)测定结果分析

图（a）、图（b）是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作为锂离子电池电极材料的循环伏安图，

扫描电压范围是1.0V~5.0V，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。

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2.交流阻抗的测定

(1)锂离子电极材料的交流阻抗图

1号电池的交流阻抗曲线

5号电池的交流阻抗曲线图

(2)测定结果分析

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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。