基于机械性能优化的锂离子电...极材料合成表征及操作实例》_李如春.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:李如春(1973-),男,江苏人,江苏省江阴中等专业学校、江苏联合职业技术学院江阴中专办学点高级讲师,研究方向:产教融合,现代机械制造加工技术及创新,机电一体化产品开发。广告书评基于机械性能优化的锂离子电池正极材料设计 评锂离子电池正极材料合成表征及操作实例李如春1,2(1.江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214433;2.江苏联合职业技术学院江阴中专办学点,江苏 无锡 214433)锂离子电池作为当前应用最广的可充电电池类型之一,在移动电子设备、电动汽车和储能系统等领域得到了广泛应用。正极材料的性能对锂离子电池的循环寿命、能量密度和安全性等有着至关重要的影响。为寻找更廉价、高容量、高比能量的安全可靠的正极材料开展的研究,是锂离子电池领域的热点研究之一。锂离子电池正极材料需要具有一定的硬度和强度,以保护锂离子电池内部的结构及电解液,防止在使用过程中出现损坏,导致电路短路、漏电等安全问题。此外,正极材料与负极材料之间的机械匹配度,也是影响电池性能和寿命的重要因素。例如,正极材料和负极材料之间的膨胀系数不匹配,容易引起电池内部的应力集中和失配,导致电解液泄漏或电池内部短路等安全问题。为了提高锂离子电池的机械性能,优化正极材料的配方、纳米材料的制备、电极的制备工艺以及电池的机械包装等,都十分重要。朱永明等主编的锂离子电池正极材料合成表征及操作实例一书,系统地介绍了锂离子电池正极材料的制备、表征、测试以及分析测试的原理和具体实验方法。全书共分 8章:第 1 章为锂离子电池正极材料概述;第 2 章为锂离子电池正极材料的合成方法;第 3 章为正极材料化学成分表征与分析;第 4 章为正极材料物理性能表征与分析;第 5 章为正极材料的界面行为;第 6 章为正极材料电化学性能表征与分析;第 7 章为锂离子电池设计与组装;第 8 章为锂离子电池生产线及设备。1 锂离子电池正极材料及合成方法正极材料是锂离子电池的核心,它的选择直接决定电池的性能。每种正极材料都有理论能量密度,选择了一种正极材料,就选择了电芯能量密度的上限。锂离子电池正极材料根据化学组成和结构特点可分为以下几类。一元正极材料是指材料中只含有一种金属元素和锂元素的化合物,如锰酸锂(LiMn2O4)和钴酸锂(LiCoO2),具有较高的比容量和较低的成本,但是循环寿命和安全性能相对较差;三元正极材料是指材料中含有 3 种金属元素和锂元素的化合物,如三元材料(LiNiCoAlO2),具有较高的比容量、较高的电压和较长的循环寿命,但是成本较高;聚阴离子正极材料是指材料中含有多种阴离子和锂离子的化合物,如硅酸盐(Li2SiO3)和硅酸锂(Li2SiO4),具有较高的比容量,但是循环寿命和安全性能相对较差;新型正极材料是近年来发展的一些新型化合物,如钒酸锂(LiV3O8)和锰酸钴锂(LiCo0.5Mn1.5O4)等,具有较高的比容量、较高的电压和较长的循环寿命,但是研究仍处于初级阶段,需要进一步的研发和改进。锂离子电池正极材料的合成方法有多种,主要包括高温固相法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热与溶剂热法和低温燃烧法等。高温固相法适用于制备一些结构稳定的正极材料,如 LiCoO2,一般需要在高温(8001 000)下长时间煅烧,成本较高。共沉淀法适用于制备一些需要高纯度、均匀粒径的正极材料,如 LiFePO4。主要方法是将金属离子的盐溶液和碳酸钠等碱性物质一起混合,加热反应得到沉淀,再经干燥、煅烧等处理,得到正极材料,优点是工艺简单、易于控制,但需要有一定的纯度要求。溶胶-凝胶法适用于制备一些结构复杂、成分均匀的正极材料,如 LiCo0.5Mn1.5O4。主要方法是将金属离子的盐溶液和有机物混合,形成溶胶,再经热处理得到凝胶,最后,煅烧得到正极材料,优点是成分均匀、粒径小、晶体结构完整,但需要较长的制备时间和高温烧结。水热与溶剂热法适用于制备一些晶体结构特殊、成分复杂的正极材料,如 LiMn2O4。主要方法是将金属离子的盐溶液和氢氧化钠等碱性物质混合,在高温高压下进行水热反应,得到正极材料,优点是制备时间短、晶体结构完整,但需要高压设备和特殊反应条件。低温燃烧法适用于制备一些需要高比表面积、纯度高的正极材料,如 LiFePO4。主要方法是将金属离子的盐溶液和有机物混合,在低温下进行燃烧反应,得到正极材料,优点是制备时间短、温度低、成本低,但需要注意控制反应条件,避免产生杂质。电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷2 锂离子电池正极材料合成表征与分析锂离子电池正极材料化学成分表征与分析主要采用滴定分析法、质量分析法、光谱分析法及电子探针显微分析法等。滴定分析法常用于测定材料中的钴、镍、锰等金属离子的含量,通过滴加标准溶液到待测溶液中,观察反应终点的变化,计算待测溶液中金属离子的含量。质量分析法常用于测定材料中的锂含量,通过称量材料的质量,在一定条件下,将其中的锂转化成含氧化锂的化合物,再通过称量化合物的质量,计算材料中锂的含量。光谱分析法常用于测定材料中的结构、元素含量、氧空位含量等,包括 X 射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、拉曼(Raman)光谱和 X 射线光电子能谱(XPS)等。电子探针显微分析法常用于测定材料中的元素含量、分布和化学状态等,优点是分析速度快、准确度高、分辨率高。锂离子电池正极材料的物理性能表征主要包括粒度分布、比表面积和振实密度等的分析。常见的分析方法有热重法(TG)/差示扫描量热法(DSC)/差热分析(DTA)、XRD 分析、Raman/FTIR 光谱分析、扫描电子显微镜(SEM)测试与分析、透射电子显微镜(TEM)测试与分析等。TG/DSC/DTA 是通过测试正极材料在不同温度下质量的变化和热量的变化,了解材料的热稳定性和热反应行为;XRD 分析是通过测试正极材料的衍射谱,确定材料的晶体结构、晶胞参数等信息;Raman/FTIR 光谱分析是通过测试正极材料的光谱信息,了解材料的结构、组成和化学键等信息;SEM 测试与分析主要是观察正极材料的形貌和表面微观结构;TEM 测试与分析主要是观察正极材料的内部微观结构,了解材料的晶体结构、晶格缺陷等信息。锂离子电池正极材料的界面行为主要包括以下两个方面:一是电极/溶液界面的动力学过程,锂离子电池工作时,电极表面与电解液之间的界面反应会对电池的性能和寿命产生重要影响。界面反应包括电解液中 Li+的扩散、电极表面的化学反应和电化学反应等过程,这些过程的动力学行为会影响电池的循环性能、放电容量和安全性等指标。二是固体电解质相界面(SEI)膜。SEI 膜是锂离子电池中形成的固态界面膜,由电解液中的溶剂和盐类等物质在电极表面的电化学反应形成。SEI 膜的存在,可以保护电极和隔膜不受电解液的侵蚀,同时,也会影响电池的性能和寿命。正极材料电化学性能表征主要包括充放电特性、循环性能、倍率性能及容量-电压微分曲线(dQ/dU-U)等。常见的 3种分析方法有:循环伏安(CV)法,测定正极材料的电化学窗口、氧化还原峰位置和峰电流等参数;电化学阻抗谱(EIS),测定正极材料的内阻、电容和电化学阻抗等参数;恒电流间歇滴定法(GITT),测定正极材料的离子扩散系数和电子传导系数等参数。3 锂离子电池设计与机械性能优化选取扣式电池、18650 型圆柱形电池为代表进行分析。扣式电池是一种常见的可充电电池,具有体积小、容量大、使用方便等优点,广泛应用于电子设备、照明设备、玩具和无线麦克风等领域。扣式电池设计及组装的基本步骤包括电芯选型、电芯连接、电池保护板、外壳设计、组装及质检测试等。根据使用要求,选择合适的电芯型号后,将多个电芯连接形成电池组,再在电池组上安装电池保护板,防止过充、过放或短路等,根据电池组尺寸和形状设计外壳,将电池组和保护板、外壳等部件进行组装。组装完成后,对电池进行测试和质检,包括外观检查、电性能测试、安全性测试等,确保电池的品质和性能符合要求。18650 型电池是圆柱形锂离子电池的代表,直径 18 mm,长度 65 mm,具有高能量密度、长寿命、低自放电等优点,广泛应用于电动工具、电子设备、电动车等领域。18650 型电池的制造步骤为:首先,制备正负极电极片,通常采用涂覆的方法,将电极材料与黏结剂混合,在铝箔或铜箔上涂覆电极;其次,电池组装,将正负极电极片卷成一定的尺寸和充电容量的芯片,再将多个电芯单体并联或串联在一起,通过成型等工艺完成组装,形成电池组;再次,按照一定的质量标准对电池进行分选和检测,确保电芯的容量、电压、内阻等参数符合标准;最后,将电池包装成适当的形式,如盒装、袋装、卷装等,出货到客户端或终端市场。锂离子电池的机械包装是将电芯或电池组放置在金属或塑料外壳中,保护电芯或电池组不受损坏或短路,确保产品在运输过程中的安全性和完整性。要选择高韧性和高刚性的材料,确保电池在正常使用时不发生形变或变形,同时,考虑材料的质量和加工难度等因素。电池在不同工作负载下,需要满足一定的力学性能要求,如抗震、防摔性能等;在设计电池外壳时,要考虑最大受力点、受力方向等因素,以增强外壳的机械强度。随着应用场景的不同,电池体积和质量也会有所不同,设计时要考虑不同规格尺寸的材料成本、加工难度和体积、质量等因素,更好地平衡电池的性能与成本。4 结语锂离子电池正极材料合成表征及操作实例重视对具体操作实例的介绍,使读者能轻松快速地掌握锂离子电池正极材料的研究方法,并学以致用,独立自主地投入研究。该书可作为高等学校电化学工程专业硕士研究生教材,也可供从事锂离子电池材料研究或生产的工程技术人员参考。书名:锂离子电池正极材料合成表征及操作实例作者:朱永明 高鹏 王桢 编著ISBN:9787560391403出版社:哈尔滨工业大学出版社出版时间:2021-06定价:￥38.00 元收稿日期:2023-02-13