锂离子电池材料充放电过程热效应研究[20200412223434]
摘要
锂离子电池作为一种很有前景的电池，其安全性是极其重要的，所以通过对其充放电过程中产生的热效应进行研究，能够更好地防止安全事故的发生。所以本实验就锂离子电池热稳定性而言，探究了开路电压与温度的关系。采用扣式电池和一个大电池进行研究，首先测量钴酸锂电池在不同温度下电压变化情况，然后进一步探究了钛酸锂电池在满充、放电20%、放电50%以及全放完状态下，温度与电压的关系,再进行作图观察其变化趋势，从而求出熵值变化，又进一步对熵的变化作了讨论，得出电压随着温度的升高而升高，熵的变化和放电程度有关的结论。
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关键字:锂离子电池热稳定性安全充放电过程
目录
1.前言 1
1.1锂离子电池简介 1
1.1.1 锂离子电池的组成 2
1.1.2 锂离子电池的工作原理 2
1.2 锂离子电池的热效应 3
1.3锂离子电池电解液的分解 4
1.4锂离子电池正极材料及其热稳定性 5
1.5 锂离子电池负极材料及其热稳定性 6
1.5.1 影响锂离子电池安全性因素 7
1.5.2 锂离子电池负极材料钛酸锂 8
1.6电池热效应关系式 8
1.7 本文研究内容与意义 8
2. 实验部分 10
2.1 实验药品 10
2.2 主要实验仪器 10
2.3电极材料制备 10
2.3.1 Li4Ti5O12材料的制备 10
2.3.2 正极电极片的制备 11
2.3.3釜式电池的安装 11
2.3.4扣式电池的安装 11
2.4电化学性能测试 12
3.结果与讨论 13
3.1 钴酸锂电池静置状态OCV与温度变化关系 13
3.2 钛酸锂电池电压和温度的变化 14
3.2.1 满充 14
3.2.2 放电20% 16
3.2.3 放电50% 17
3.2.4 电量全部放完 18
4. 结论 21
参考文献 22
致谢 23
1.前言
如今，我国的经济在不断地快速发展之中，以至于需要的能源越来越多。目前，化石能源的减少是一个重大问题，所以我们应该更加积极的发展新能源和可再生能源，这也是每一个国家都竞相关注的。但是正是由于对能源的迫切需求而导致化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的主要原因。
所以在发展新型能源的同时能源安全问题是全球性的重大问题。如今已是21世纪，进入了低碳经济时代，我国在发展新能源和促进节能减排的方面也取得了较大的发展，国内外很多科研人员对能源安全问题寄予了很高的期望，所以对新型电池材料的研究相应的越来越重视。
社会不断发展，需求不断增加，源于新型材料、新思路、新技能的电池新构架不断地涌现出来，电池的高新技术得到很大的进步，不断地朝着高新能量、极少污染、可循环利用的方向进步。例如，以镍铬电池为基础而发展起来的镍氢电池，是以氢氧化镍为正极，以储氢材料代替对环境有污染的镉来作为负极，而得到的一种新能源环保电池，为动力电池的发展与应用奠定了基础[1]；依赖于作为转换能量原件的太阳能电池，以提高电池的效率降低电池的成本为一目标来进行性能研究[2]；开发研究低成本太阳能电池已经不再是之前所说的不可能实现的事，主要是归功于导电高分子材料的快速发展。这些进步都说明了人们对电池的优良性能的要求不断增加，如比容量、比功率、小型化以及环保等方面，锂离子电池正是由于具有较高的能量及更具有环保性，已经开始逐渐的全面取代传统的铅酸、镍氢和镍铬电池，而有望成为成为21世纪最重要的储能元件，也已经开始了大规模的研究和使用。但是锂离子电池的热稳定性而造成的危险事故发生成为了制约其发展的重要因素，所以确保锂离子电池的安全有效性变得极为重要。
1.1锂离子电池简介
锂离子电池作为一种新型充电电池,是在锂二次电池基础上发展起来的，金属锂是一种非常有前途的负极材料,有两个非常奇特的性质：电负性最低值为：-3.0 V和密度最低为：0.534 g·cm-3,正因为这两者的优越性而使得它的负电位和一个正极相匹配时转化成高的电池电压，锂作为负极时使得电池具有极高的比容量，而经过之后的大量研究与改善，以锂金属作为负极材料制作成锂电池而之后又发展为锂离子电池。研究锂离子电池的关键技术就是选择正确合适的正负极材料和电解液，这种正负极材料应满足在电池充放电过程中嵌入和脱出锂离子。早在1990年，Sony和Moli通过使用钴酸锂和石油焦炭分别作为正负极材料，从而完美的实现了锂离子电池的商品化[3]，致使锂离子电池成为一种性能十分优越的二次化学能源；与此同时，Dahn和他的团队提出了能够作为碳负极材料的锂嵌入化学及其过程中起着电解液溶剂作用的基本理论[4]。
锂离子电池不同于之前传统的铅酸和镍铬电池，锂离子电池具有高的比能量，较长使用寿命，较小污染和高的工作电压等特点，而被广泛的用于摄录像机、移动通讯设备、便携式计算机和各种便携式电动工具和军用设备与材料等，锂离子电池是随着时代发展的需求应运而生的，已经成为各国共同关注的新型能源电池研制的目标。然而电池在充放电过程中通过各种方式产生或者吸收热量即发生热效应，而不可避免的产生一系列安全问题，进一步限制了锂离子电池的应用与发展。为了提高锂离子电池在使用过程中的安全性避免发生一些破坏性的安全事故，对其在循环过程产生的热效应进行深刻研究是极其必要的[5-8]，当然要研究电池的热效应必须了解电池热效应的影响因素。
1.1.1 锂离子电池的组成
锂离子电池的结构与其他电池一样，均是由正极、负极、隔膜、电解液、外壳等部分组成。对于正极材料而言，最常见的是嵌锂过渡金属氧化物，主要包括：钴酸锂、镍酸锂、镍钴锰三元素复合材料、磷酸铁锂等；在目前整个锂离子产业链产能比较中，正极材料的产能是最小的，所以正极材料成为了一个最关键的环节。常见的负极材料是电位和锂的电位相差不大并且可以嵌入的锂化合物，主要包括：人工制造的石墨、天然生成的石墨、经过石墨化的碳材料、经过石墨化的中间相碳微珠和金属氧化物；因此能作为锂离子电池负极材料的种类比较多。关于电解液材料，常见的是LiPF6的烷基碳酸酯搭配高分子材料，主要包括：乙稀碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低粘度二乙基碳酸酯（EDC）等。最常见的隔膜材料是聚烯微多孔膜，主要包括：PE、PP或它们的复合膜，PP/PE/PP三层隔膜。另外，外壳材料较为简单，主要用像钢和铝这样的金属材质。
1.1.2 锂离子电池的工作原理
上述也有提到所描述的锂离子电池，就是指那种分别用两个能嵌入并且可逆而且能够析出锂离子的化合物来作为正负极构成的二次电池。人们把这种可以依靠锂离子在正负极之间进行不断地转移来完成锂离子电池充放电工作的，这种具有独特性质的锂离子电池更加形象的称之为“摇椅式电池”[9]，俗称“锂电”。
锂离子二次电池经过一系列反应而逐渐变成一个存在Li+浓度差的电池，在充电的过程中Li+离子从正极中析出并且进一步嵌入到它的负极的晶格中，此时正极处于锂比较少的状态；放电时，Li+从负极析出来并插入到正极中，此时正极的锂比较丰富，为了维持电荷的平衡，充放电时在外电路中应传递相同数量的电子，这种电子与锂一起在正负极间进行迁移、使得正负极之间有氧化还原反应发生。
正负极活性材料是控制锂离子电池性能的关键材料，这是国内外研究人员都认可的一个观点，不论是哪一种锂离子电池，它的工作原理是相同的。在日常的实验研究过程中，经常能够见到的电池是利用LiCoO2作为负极活性物质、石墨或硬碳作为阳极材料制得[10]，这种锂离子电池充电时正极（LiCoO2）中的Li离子迁移出来，经过电解液这个通路，然后嵌入到石墨的碳层间，从而有锂碳层间化合物形成；放电过程与其相反。反应如下：

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