1、目录吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计） ，是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学士学位论文（设计）作者签名：年 月 日目录目 录第一章 绪论.1第一节 研究背景.1第二节 锂离子电池的结构和工作原理.4第三节 锂离子电池的特点以及应用.6第四节 锂离子电池正极材料的选择原则.8第五节 锂离子电池正极材料研究
2、现状.95.1 钴酸锂.95.2 锰酸锂.115.3 镍酸锂.125.4 三元材料 NMC .145.5 磷酸铁锂.155.6 钒氧化物.16第二章 实验部分.21第一节 V2O5 在锂离子电池中应用 .211.1 锂离子电池的研究现状.211.2 V2O5 应用于锂离子电池的优点 .221.3 我们合成 V2O5 纳米片应用于锂离子电池的意义 .22第二节 实验的具体细节.242.1 实验药品.242.2 样品的制取.242.3 实验所用的仪器与设备.252.4 电化学测试过程.26第三节 实验结果与讨论.273.1 V2O5 纳米片样品形貌与结构的分析 .283.2 V2O5 纳米片电化学
3、性能的测试与分析 .33第三章 结论.37致谢.38参考文献.39摘要摘要在发展下一代锂离子电池中所要面临的一个巨大的挑战是同时实现高能量和大的能量容量。在这方面，大面积纯净的 V2O5纳米片已经成功的通过一种新奇而且简易的溶蚀分解方法使用低成本的原材料进行了合成。制备出的这些产品表现出更好的锂存储能力包括高的可逆容量（290mAhg -1） ，较好的循环和大电流放电性能。本文介绍了一种简易，低成本且高效的从母相块状晶体扩展合成大面积纯净的 V2O5纳米片的方法。同时，我们这种方法所制备的 V2O5纳米片相比于块状 V2O5在很宽宽的温度范围内大大提高的锂存储性能。它可以提供 15.6kWkg
4、-1的高功率密度，同时还可以保持高达 260Whkg-1的能量密度，这一点有可能弥补电池和超级电容器的性能差距。在 0和-20这样的低温条件下，它仍能提供 184-158mAhg-1每库伦的高容量并且表现出良好的循环稳定性，从而突出了我们提出的草案的有效性和价值。这些获得的优异的性能有可能为开辟了下一代用于替代能源和电动交通的高性能锂离子电池的提供新的发展机遇。关键词：锂离子电池，高容量，V 2O5纳米片，简易、低成本 摘要AbstractOne of the great challenges in the development of next-generation lithium ion
5、batteries is to simultaneously achieve high power and large energy capacity. Herein, large-area pure V2O5 nanosheets are successfully synthesized by a novel and facile dissolutionsplitting method using low-cost raw materials. The as-prepared product exhibits enhanced lithium storage proper-ties incl
6、uding high reversible capacity (290mAhg-1), good cycling and rate performance. The article introduces a facile, low-cost, and effective dissolutionsplitting method for the scalable synthesis of large-area pure V2O5 nanosheets from their parent bulk crystal. Interestingly, in contrast to the bulk cou
7、nterpart, the as-prepared V2O5 NSs exhibit greatly enhanced lithium storage properties over a wide temperature range. It can deliver a high power density of 15.6 kW kg-1 while the energy density remains as high as 260 Whkg-1, which would bridge the performance gap between batteries and super capacit
8、ors. At low temperatures of 0 and-20, it can still deliver high capacities of 184 and 158 mAhg-1 at 1 C and also exhibit good cycling stability, thus highlighting the effectiveness and value of our proposed protocol. The obtained excellent performance opens up new opportunities in the development of
9、 high performance next-generation LIBs used for alternative energy and electric transportation.Keywords：. lithium ion batteries，high power，V 2O5 摘要nanosheets，facile and low-cost第一章 绪论1第一章 绪论第一节 研究背景200 多年前，人们发明了简易的电池装置，从而使人们对电的应用进入了一个新的属于电池的纪元。200 多年后的今天，电池技术经过历代前辈们的完善和改进已经取得了日新月异的发展，电池种类的多样化，也使得其在日
10、常生活中成为了不可或缺的存在。大到航天器，小到遥控器，手机，等等精良的电子产品，电池的身影在我们的生活中无处不在。电池的产生和发展促进了人类社会科技的进步，也使得人们的生活变的更加的丰富多彩。然而，随着电子技术的大力发展，对于电池性能的要求也在急速的提高，而且能源和环境问题的日益严重使得人们对于未来的能源体系在高效、清洁、经济实用以及安全可靠等方面的期望值也愈来愈高。因此，对于新能源和可再生能源的开发利用是推动当下经济发展的一个刻不容缓的课题，而且还要做到环境友好型的开发和对资源的充分利用。随着人们环保意识的逐渐增强，对电源的要求越来越高，传统的镍镉电池、铅酸蓄电池、锌锰电池由于镉、铅、汞等有
11、毒重金属导致环境污染且在性能方面也已经不足以满足人们的需求，在生产方面已经被限制。因此，市场迫切的需要一种新的绿色环保而又安全高效的电池来改善这种尴尬的境地，在这样的条件下，锂电池的研究逐渐成为了研究者们心中的宠儿。锂离子电池的研究起源于 20 世纪 70 年代，最初是由金属锂与插层化合物或硫化物组成的锂电池。由于金属锂是重量最轻（0.534g/cm 3） 、原子量最小（6.94） 、标准电极电位最负（-3.054V ） 、质量能量密度最大（3860mAh/g）的金属 1，而金属锂的这些特点也使得锂离子电池成为第一章 绪论2了人们心中能够替代化石燃料的一种能源。锂电池在 20 世纪 70 年代
12、初实现了锂原电池的商品化，但是由于负极材料是金属锂，而金属锂在充放电过程中会在锂负极上沉积产生锂枝晶，随着锂枝晶在充放电过程中的不断生长，可能会穿透隔膜，造成电池内部短路，引发爆炸等事故。由于存在这样的安全隐患，金属锂作为负极的可充电锂电池没有实现商业化。为了解决锂电池的这种安全隐患，保障锂电池的实用性和安全性能，人们又将目光转向了性能更高，安全性更好的锂离子电池。索尼公司于 1991 年发布了首个商用锂离子电池。随着锂离子电池的出现，电子产品也迎来了新的时代，而且这种正极材料为钴酸锂的锂离子电池一直沿用至今，在电子元件市场依旧保持着高竞争力。1995 年 Bellcore 公司 2研发的集合
13、小巧的体积与可靠的安全性能等优点与一身的以聚合物为正极材料的锂离子电池，并以其低廉的价格迅速征服了市场，使得锂离子电池进入了聚合物正极材料的时代。1996 年 Padhi 和Goodenough 发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO 4)，在安全性能，尤其是耐高温，耐过充电性能方面都远远强于传统的正极材料，磷酸铁锂这些优良的性质也使其成为当下大电流放电动力电池的首选正极材料。同年，日本三菱公司研发出了第一台以锂离子电池作为源动力的电动汽车，与此同时，索尼公司和日产公司也分别进行了电动汽车的试验，使锂离子电池的发展得到了进一步的提高。从 2000 年开始，锂离子电池在我国实现了商
14、品化，而后短短 5 年左右的时间我国就逐渐成为了锂电大国。近些年更是以年均二十个百分点左右的速度持续增长。锂离子电池如此快速发展的原因主要主要是它在现有电池设计上进行了一些技术方面的改进，并在开发和利用高新材料上作出了突破，使得锂离子电池在能量密度，功率密度和循环性能上都有了长足的发展和进步，更好地适应了现阶段社会对于电池的需求。而随着锂离子电池的飞速发第一章 绪论3展，锂离子电池的正极材料也种类繁多，V 2O5 以其高容量，低成本，无污染等特点在所有材料中脱颖而出，成为最具有发展前景的正极材料。第一章 绪论4第二节 锂离子电池的结构和工作原理锂离子电池与锂电池的不同之处在于电池中不存在金属锂
15、，只存在锂离子，电池的正极材料为含锂化合物，负极材料为碳素。锂离子电池代表的是以含锂化合物为正极材料的一类电池。锂离子电池的充放电实际上就是锂离子的在电极材料中的嵌入和脱出过程。在锂离子电池的冲放电过程中，与锂离子等当量的电子同时发生嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或者脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示） 。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池” 。一般正极材料采用过渡金属氧化物 LiMO2（M=Co，Mn ，Ni 等） ，负极材料采用 Li-C 层间化合物 LixC6，电解质为溶解有机锂盐的有机溶剂。典型的电池体系可表示为：LiC6|LiPF6-E
16、C+DEC|LiMnO2锂离子电池工作原理的示意图如下图 1.1 所示 3：图 1.1 锂离子工作原理示意图第一章 绪论5充电时，锂离子从正极材料中脱出，经由电解质溶液和隔膜通过外加电压的作用嵌入到负极材料中，充电的目的是为了使电池处于高能状态，即正极贫锂，负极富锂的状态；放电时， 锂离子从负极材料中脱出，经由电解质溶液和隔膜，重新嵌入到正极材料的晶格中；因为锂离子在两电极材料中的空间位置相对固定，因此保证了电池充放电时良好的可逆性，从而进一步保证了电池的稳定性和高寿命。锂离子电池的正负极充放电反应表示如下 4：充电时：正极 （1-xeLiMOiLix2121）负极 （1-66CieiCx2）放电时：正极 （1-221LiMOxeiMOLix3）负极 （1-iCix64）上式中，M 为过渡金属原子。Li+在充放电过程中，在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，从上述充放电的可逆性中可以看出，锂离子电池的充放电反应是一种理想的可逆反应。
