1、本科毕业设计开题报告化学锂离子电池锰系5V正极材料的研究一、选题的背景与意义随着社会的发展和进步，人类对能源的需求越来越大，而世界经济能源的三大支柱石油、煤炭和天然气也随着人们的大量开采面临枯竭的严峻挑战。为了实现自然环境和自然资源的可持续发展。发展新能源和新能源材料是我国目前必须解决的重大问题。凭借金属锂在所有金属中最轻、氧化还原电位最低、质量能量密度最大的特点，锂电池以电压高、比能量高、储存时间长、比功率大等多个优点成为替代能源之一。正由于锂电池具有别的电池所没有的优点，针对其性能追求更优化的锂电池成为我们研究的热点。锰系锂离子电池也是人们研究较早的电池，利用锰酸锂作为电池正极材料，不但具
2、有较高电压平台，安全性较好，且价格较为低廉。但锰系锂离子电池的缺点在于比容量较其他电池低，高温循环性能受到限制。随着人们对锰系电池的不断研究及改进，其性能得到了较大提高，应用也越来越广，而其高温循环性能也是研究的重点。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题（一）课题研究的主要内容1LINI05MN15O4的制备和研究根据一定化学计量比的锂源、镍源和锰源，利用球磨混合和高温固相反应法获得LINI05MN15O4，再用X射线粉末衍射分析产物的纯度、结构和粒径大小；用红外光谱分析材料的结构特征和表面官能团。2掺杂CR的LINI05MN15O4的制备及研究以三氧化二铬为铬源，通过同样的合成条件获得CR掺
3、杂LINI05MN15O4正极材料，运用X射线粉末衍射和红外光谱分析CR掺杂对物质结构的影响，用交流阻抗谱测试CR掺杂前后电导率的变化，利用充放电测试评价材料的储锂性能。3对比总结出掺CR后的LINI05MN15O4的优化条件综合电化学性能的测试结果来指导优化CR掺杂LINI05MN15O4正极材料的工作条件。（二）拟解决的主要问题1通过加入过渡金属CR来改变锂锰氧化物的性能。2结合X射线衍射、恒电流放电等方法观察嵌入过渡金属对锂锰氧化物的作用机理。三、研究的方法与技术路线通过阅读相关锂电池材料的合成制备、性能优化等文献，本课题拟采用以下方案和技术路线1样品合成方法利用球磨混合和高温固相法结合
4、制得LINI05MN15O4和CR掺杂LINI05MN15O4。2产物的表征用X射线粉末衍射分析产物的纯度、结构和粒径大小；用红外光谱分析材料的结构特征和表面官能团。3、产物的性能测试利用电化学阻抗技术和循环充放电测试对产品的电化学性能进行测试观察。四、研究的总体安排与进度2010年09月2010年12月文献调研、综述、翻译和实验材料的准备2011年01月2011年02月LINI05MN15O4和CR掺杂LINI05MN15O4正极材料的固相合成2011年03月2011年04月对比分析CR掺杂前后LINI05MN15O4正极材料的结构、电化学性能和储锂能力2011年05月2011年05月实验总
5、结，毕业论文的撰写及答辩五、主要参考文献1SMUKERJEE,XQYANG,XSUN,SJLEE,JMCBREEN,YEINELI,INSITUSYNCHROTRONXRAYSTUDIESONCOPPERNICKEL5VMNOXIDESPINELCATHODESFORLIIONBATTERIESJ,ELECTROCHIMICAACTA,2004,49337333822YCSUN,ZXWANG,XJHUANG,LQCHEN,SYNTHESISANDELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFSPINELLIMN2XYNIXCRYO4AS5VCATHODEMATERIALSFORLIT
6、HIUMIONBATTERIESJ,JPOWERSOURCES,2004,1321611653TAARUNKUMAR,AMANTHIRAM,INFLUENCEOFCHROMIUMDOPINGONTHEELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFTHE5VSPINELCATHODELIMN15NI05O4J,ELECTROCHIMICAACTA,2005,50556855724SBPARK,WSEOM,WICHO,HJANG,ELECTROCHEMICALPROPERTIESOFLINI05MN15O4CATHODEAFTERCRDOPINGJ,JPOWERSOURCES,2006,
7、1596796845JMAMARILLA,RMROJAS,FPICO,LPASCUAL,KPETROV,DKOVACHEVA,MGLAZARRAGA,ILEJONA,JMROJO,NANOSIZEDLIMYMN2YO4MCR,COANDNISPINELSSYNTHESIZEDBYASUCROSEAIDEDCOMBUSTIONMETHODSTRUCTURALCHARACTERIZATIONANDELECTROCHEMICALPROPERTIESJ,JPOWERSOURCES,2007,174121212176YKYOON,CWPARK,HYAHN,DHKIM,YSLEE,JKIM,SYNTHES
8、ISANDCHARACTERIZATIONOFSPINELTYPEHIGHPOWERCATHODEMATERIALSLIMXMN2XO4MNI,CO,CRJ,JPHYSCHEMSOLIDS,2007,687807847MAKLALOUCHA,JMAMARILLA,RMROJAS,ISAADOUNE,JMROJO,CHROMIUMDOPINGASANEWAPPROACHTOIMPROVETHECYCLINGPERFORMANCEATHIGHTEMPERATUREOF5VLINI05MN15O4BASEDPOSITIVEELECTRODEJ,JPOWERSOURCES,2008,185501511
9、8MAKLALOUCH,RMROJAS,JMROJO,ISAADOUNE,JMAMARILLA,THEROLEOFPARTICLESIZEONTHEELECTROCHEMICALPROPERTIESAT25ANDAT55OFTHELICR02NI04MN14O4SPINELAS5VCATHODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESJ,ELECTROCHIMICAACTA,2009,54754275509SHOH,KYCHUNG,SHJEON,CSKIM,WICHO,BWCHO,STRUCTURALANDELECTROCHEMICALINVESTIGATIONSONTH
10、ELINI05XMN15YMXYO4MCR,AL,ZRCOMPOUNDFOR5VCATHODEMATERIALJ,JALLOYSCOMP,2009,46924425010MAKLALOUCH,JMAMARILLA,RMROJAS,ISAADOUNE,JMROJO,SUBMICROMETRICLICR02NI04MN14O4SPINELAS5VCATHODEMATERIALEXHIBITINGHUGERATECAPABILITYAT25AND55J,ELECTROCHEMCOMMUN,2010,1254855211SUNGBINPARK,WONSOBEOM,WONIICHO,HOJANG；ELE
11、CTROCHEMICALPROPERTIESOFLINI05MN15O4CATHODEAFTERCRDOPINGSCIENCEDIRECT,JOURNALOFPOWERSOURCES159200667968412YUCHENGSUN,ZHAOXIANGWANG,XUEJIEHUANG,LIQUANCHENSYNTHESISANDELECTROGHEMICALPERFORMANCEOFSPINELLIMN2XYNIXCRYO4AS5VCATHODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESSCIENCEDIERCT,JOURNALOFPOWERSOURCES132200416
12、116513吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江，锂离子电池应用与实践M，化学工业出版社，200414黄可龙，王兆翔，刘素琴，锂离子电池原理与关键技术M，化学工业出版社，200815唐致远，杨光明，王倩，SV锉离子电池正极材料LINI05MN15O4性研究现状J，材料导报，2007，216354616钟新仙，胡思江，王红强，李泽胜，黄有国，镍铬复合掺杂尖晶石锰酸锂的合成与性能研究J，化工新型材料，2009，3710545617吴佩贞，吕东生，李伟善，铬对锂离子在尖晶石锂锰氧化物中嵌入行为的影响J，华南师范大学学报（自然科学版），2006，17581文献综述化学锂离子电池锰系5V正极材料的研究摘要能源
13、的需求促使电池行业的不断发展，锂离子电池也随着其自身比容量大、无污染、无记忆效应等一些特性越来越受到人们的关注。锂离子电池的应用也从之前的电子设备如手机、笔记本电脑、相机等领域扩展到了电动车的动力能源中，而作为重要部分的正极材料人们对其进行的改性研究也不断地突破，将来必将朝着更安全、体积更小、比容量更大的方向发展。研究历史/现状当今社会讲究可持续发展，而与人类密切相关的能源也需要可持续发展。随着社会的进步，能源的消耗也逐渐增加，这与世界人口的增长、能源技术的进步和经济的发展密切相关。而随着能源消耗的增加，我们更多要考虑的是我们的环境问题和能源的再生问题。目前世界经济的能源支柱仍然是石油、天然气
14、和煤炭等化石能源系统，而正是化石能源的过分使用造成环境的不断恶化，同时过分的开采一次能源对能源的可持续发展造成严重的威胁。寻求新的替代能源成为我们必需解决的首要问题。于是人们开始把研究的重点放在新能源材料的发现和合成等方面。锂离子电池是20世纪人们开发成功的一款新型高能电池，凭借着锂自身的优点，70年代诞生的锂原电池的优点促进了锂嵌入化合物的研究，1990年，日本的NAGOURA等人研制成以LICOO2为正极、石油焦作为负极的锂离子二次电池LIC6|LICLO4PCEC|LICOO21991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一种以聚糖醇热解碳PFA为负极的锂离子电池。1993年美国BE
15、LLCORE电讯公司首先报道了采用PVDF工艺造成聚合物锂离子电池（PLIB）。而国内也在20世纪90年代相继设立了聚合物锂电池公司。13锂离子电池根据其形态不同分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。相对于液态锂离子电池，聚合物锂离子电池的容量稍微大一些，且聚合物电池不会发生漏液，电池材料也比较柔软可以制成任意形状和超薄型的电池。锂离子也由于工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长的优点得到广泛的认可。被大量应用于电子产品中，如手机、笔记本电脑、数码相机、IC卡电子翻译器等。4图11锂离子电池的结构示意图也是由于锂离子电池的优越性，索尼公司自1992年起
16、便着手开发用锂离子工作的的电动汽车。与传统的内燃机汽车相比，特别是在大气污染严重、全球二氧化碳排放过量的情况下，电动汽车凭借“零”排放占据着绝对的优势。1996年的北京电动汽车展览会上，三菱公司展出了他们以锂离子电池为动力的概念电动车。20世纪90年代美国、法国等国家针对环境问题对关于电动汽车的生产实施的一些政策也有助于锂离子电池的快速发展。58锂离子市场经过20多年的快速发展，2008年之前的年增长速度超过13。经历了2009年金融危机的回落后，随着应用领域的拓展而销量预计会大幅度上涨。而在IT领域的电子产品的销量稳数增长也将带动电池的销量。910目前，电动车成为大家研究的热点，由于环境因素
17、各国纷纷出台支持新能源汽车的生产，如中国的“十城千辆”示范行动，美国能源部出资20亿美金资助其余电池技术相关的所有供应链，德国政府拿出5亿欧元用于资助电动车的研发等。一些科学家还把方向转向军事应用中，把锂离子电池用到导弹等军事设备中去，这又给锂离子电池拓展了一个新的应用领域。1115随着电子技术的进步，锂离子电池的应用领域越来越广，其性能也越来越优越。LIMN2O4由于其价格低廉、环保无毒及充放电性能好等优点，曾备受人们的关注，被认为是动力电池正极材料的最好选择。目前市场上小部分的电池是锰系锂离子电池，之所以没有大规模推广锰系锂离子电池是因为其材料具有不可忽略的缺点高温情况下容量衰减较快。这是
18、研究锰系锂离子电池的一个瓶颈，人们在研究材料的过程中不断地寻找抑制其容量衰减的方法。随着人们对锰系锂离子电池的不断改善，其优势也更为明显，特别是在电动汽车电池和大型储备电源方面占据着绝对优势。今后必将得到更好的推广和应用。1617结语和展望尽管锂离子电池具有其它电池所没有的优点，且锂离子电池现在在市场上应用非常广泛，但也存在一定的问题，尤其是安全性能的表征还未充分展开。但在锂离子电池领域，市场的拓展和技术的突破指日可待。随着电子产业的迅猛发展以及我们一再强调的可持续发展和环境问题，未来的电池将朝着如下趋势发展1重量减轻、体积变小、电流增大及安全性提高。2市场生产趋向于环境友好型电池，传统的镉镍
19、电池由于镉的致癌污染将逐渐退出市场。3要减少汽车尾气排放或做到“零”排放，电动汽车和混合动力车将成为未来的主要交通工具，电动车电源将成为人们研究的热点。4就目前讲，越来越多的新型电池材料是电池发展的基础。主要参考文献1SMUKERJEE,XQYANG,XSUN,SJLEE,JMCBREEN,YEINELI,INSITUSYNCHROTRONXRAYSTUDIESONCOPPERNICKEL5VMNOXIDESPINELCATHODESFORLIIONBATTERIESJ,ELECTROCHIMICAACTA,2004,49337333822YCSUN,ZXWANG,XJHUANG,LQCHEN
20、,SYNTHESISANDELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFSPINELLIMN2XYNIXCRYO4AS5VCATHODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESJ,JPOWERSOURCES,2004,1321611653TAARUNKUMAR,AMANTHIRAM,INFLUENCEOFCHROMIUMDOPINGONTHEELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFTHE5VSPINELCATHODELIMN15NI05O4J,ELECTROCHIMICAACTA,2005,50556855724SBPARK,WSEOM,WICH
21、O,HJANG,ELECTROCHEMICALPROPERTIESOFLINI05MN15O4CATHODEAFTERCRDOPINGJ,JPOWERSOURCES,2006,1596796845JMAMARILLA,RMROJAS,FPICO,LPASCUAL,KPETROV,DKOVACHEVA,MGLAZARRAGA,ILEJONA,JMROJO,NANOSIZEDLIMYMN2YO4MCR,COANDNISPINELSSYNTHESIZEDBYASUCROSEAIDEDCOMBUSTIONMETHODSTRUCTURALCHARACTERIZATIONANDELECTROCHEMICA
22、LPROPERTIESJ,JPOWERSOURCES,2007,174121212176YKYOON,CWPARK,HYAHN,DHKIM,YSLEE,JKIM,SYNTHESISANDCHARACTERIZATIONOFSPINELTYPEHIGHPOWERCATHODEMATERIALSLIMXMN2XO4MNI,CO,CRJ,JPHYSCHEMSOLIDS,2007,687807847MAKLALOUCHA,JMAMARILLA,RMROJAS,ISAADOUNE,JMROJO,CHROMIUMDOPINGASANEWAPPROACHTOIMPROVETHECYCLINGPERFORMA
23、NCEATHIGHTEMPERATUREOF5VLINI05MN15O4BASEDPOSITIVEELECTRODEJ,JPOWERSOURCES,2008,1855015118MAKLALOUCH,RMROJAS,JMROJO,ISAADOUNE,JMAMARILLA,THEROLEOFPARTICLESIZEONTHEELECTROCHEMICALPROPERTIESAT25ANDAT55OFTHELICR02NI04MN14O4SPINELAS5VCATHODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESJ,ELECTROCHIMICAACTA,2009,5475427
24、5509SHOH,KYCHUNG,SHJEON,CSKIM,WICHO,BWCHO,STRUCTURALANDELECTROCHEMICALINVESTIGATIONSONTHELINI05XMN15YMXYO4MCR,AL,ZRCOMPOUNDFOR5VCATHODEMATERIALJ,JALLOYSCOMP,2009,46924425010MAKLALOUCH,JMAMARILLA,RMROJAS,ISAADOUNE,JMROJO,SUBMICROMETRICLICR02NI04MN14O4SPINELAS5VCATHODEMATERIALEXHIBITINGHUGERATECAPABIL
25、ITYAT25AND55J,ELECTROCHEMCOMMUN,2010,1254855211SUNGBINPARK,WONSOBEOM,WONIICHO,HOJANG；ELECTROCHEMICALPROPERTIESOFLINI05MN15O4CATHODEAFTERCRDOPINGSCIENCEDIRECT,JOURNALOFPOWERSOURCES159200667968412YUCHENGSUN,ZHAOXIANGWANG,XUEJIEHUANG,LIQUANCHENSYNTHESISANDELECTROGHEMICALPERFORMANCEOFSPINELLIMN2XYNIXCRY
26、O4AS5VCATHODEMATERIALSFORLITHIUMIONBATTERIESSCIENCEDIERCT,JOURNALOFPOWERSOURCES132200416116513吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江，锂离子电池应用与实践M，化学工业出版社，200414黄可龙，王兆翔，刘素琴，锂离子电池原理与关键技术M，化学工业出版社，200815唐致远，杨光明，王倩，SV锉离子电池正极材料LINI05MN15O4性研究现状J，材料导报，2007，216354616钟新仙，胡思江，王红强，李泽胜，黄有国，镍铬复合掺杂尖晶石锰酸锂的合成与性能研究J，化工新型材料，2009，3710545617
27、吴佩贞，吕东生，李伟善，铬对锂离子在尖晶石锂锰氧化物中嵌入行为的影响J，华南师范大学学报（自然科学版），2006，17581（20届）本科毕业设计锂离子电池锰系5V正极材料的研究RESEARCHONMANGANESEBASEDMATERIALAS5VCLASSCATHODEFORLITHIUMIONBATTERY摘要【摘要】本文采用高温固相法制备LINI05MN15O4和LINI04MN14CR02O4。并用X射线衍射（XRD）和红外光谱（IR）对纯样品和掺杂样品的结构进行表征。通过循环充放电和电化学交流阻抗的测试研究尖晶石的电化学性能。结果表明掺杂CR后的样品比容量的保持率从原来的9368增
28、长9572。此外，LINI04MN14CR02O4的首次放电容量为128MAH/G，LINI05MN15O4的首次放电容量为113MAH/G。且LINI04MN14CR02O4在经过15个循环后其库伦效率保持在高于纯物质的925。因此可以得知，CR的掺杂能改善LINI05MN15O4的电化学性能。【关键词】能源；锂离子电池；正极材料；LINI05MN15O4；掺CRRESEARCHONMANGANESEBASEDMATERIALAS5VCLASSCATHODEFORLITHIUMIONBATTERYABSTRACT【ABSTRACT】LINI05MN15O4ANDLINI04MN14CR02O
29、4WASPREPAREDBYSOLIDSTATEPYROLYSISMETHODINTHISTHESISTHESTRUCTURECHARACTERISTICSOFTHEPRISTINEANDDOPEDSAMPLESWEREEXAMINEDBYXRAYDIFFRACTIONXRDANDINFRAREDSPECTROSCOPYIRELECTROCHEMICALPROPERTIESOFTHESESPINELSWERESTUDIEDBYCHARGEDISCHARGECYCLINGANDELECTROCHEMICALALTERNATINGCURRENTIMPEDANCESPECTROSCOYTHERESU
30、LTSSHOWTHATTHECAPACITYRETENTIONOFCATHODEMATERIALHASANINCREASEFROM9368TO9572AFTERCRDOPINGFURTHERMORE,THEINITIALDISCHARGECAPACITIESARE128MAH/GFORLINI04MN14CR02O4AND113MAH/GFORLINI05MN15O4BESIDES,THECOULOMBICEFFICIENCYOFLINI04MN14CR02O4CANBEREMAINEDAT925AFTER15CYCLES,WHICHISHIGHERTHANTHEONEOBTAINEDFROM
31、THEPRISTINECOMPOUNDTHEREFORE,ITISKNOWNTHATTHEELECTROCHEMICALPERPORMANCEOFLINI05MN15O4CANBEIMPROVEDBYCRDOPING【KEYWORDS】ENERGYLITHIUMIONBATTERYCATHODEMATERIALLINI05MN15O4CRDOPING目录1绪论1411能源的种类及发展趋势14111化石燃料的现状14112新能源的发展趋势1512电池的发展历程15121铅酸蓄电池16122镍镉电池16123NI/MH电池16124太阳能电池1613锂离子电池17131锂离子电池的工作原理1713
32、3锂离子电池负极材料18134锂离子电池电解液182锂离子电池正极材料的研究现状1821LICOO2正极材料19211发展现状1922LINIO2正极材料19221发展现状2023LIMN2O4正极材料20231研究现状与发展2124LIMNO2正极材料的研究意义及发展趋势213实验2131实验药品及仪器2132实验步骤22321LINI05MN15O4和LINI04MN14CR02O4正极材料的制备22322电极的制备及电池的组装和测试224结果与讨论2241样品的红外分析2342XRD表征2443电化学性能测试255结论29参考文献30致谢错误未定义书签。1绪论11能源的种类及发展趋势社会
33、的进步也促进了能源消耗的不断增长。一次能源的开采也随着世界人口和社会的进步在不断增多。我们知道，能源的种类虽然很多，但现如今支撑世界经济的能源依然是煤炭、石油和天然气等化石燃料。要满足人类对能源的需求，开发新能源是现今我们要做的必然选择。111化石燃料的现状据世界能源大会提供的调查资料如表1，其预测了矿物能源的储存和动态需求变化1。而现今，可持续发展也是全人类的目标，为了保护环境，保护人类赖以生存的自然资源，在倡导节能的同时科学工作者也在不断地开发研究新的清洁能源。特别是对我国这种人口众多以工农业为主的发展中国家，能源的消耗数量大，如果一如既往地使用一次能源，不但资金上耗用巨大，对环境的影响也
34、是不可忽略的。表119902020年矿物能源预测石油天然气煤合计探明储量（1991年底）估计增加储量合计资源量累积需求量（19902020年）13506502000100011401060220068052002880034000850770030500382002530根据专家们的研究和分析，非再生能源的耗尽只是时间问题（如表22）而化石燃料中煤炭被称为肮脏的能源，因为从开始的开采到运输到最后的使用这一系列的工作都会给环境带来严重的污染。其他化石燃料的含碳量虽比煤炭低，但在使用中产生的CO2对环境的影响也是不可低估的。近年来的“温室效应”目前我们认为是CO2引起的，使人们更加重视了化石燃料的
35、使用对环境造成的问题。然而不仅仅是CO2，在化石燃料的使用过程中同时也会产生CO、SO2等对大气乃至人体有害的物质。为了贯彻可续持发展的策略，寻找新能源成为世界各国迫切解决的问题3。表2世界非再生能源开采年限估计能源情况种类已探明的储量（PR）和推测出的潜在储量（AR）消耗期（公历年）煤900（PR）2700（AR）2200年左右石油100（PR）36（AR）2020年左右天然气74（PR）60（AR）2040年左右铀按热反应堆计60（PRAR）按增值反应堆计1300（PR）1600（AR）按热反应堆计2073年按增值反应堆计21102120年所有不可再生能源1100（PR）300（AR）22
36、00年左右112新能源的发展趋势目前我们所说的新能源和可再生能源都是相对拥有成熟的开发、运输和应用技术的能源而言的，其中可再生能源包括了太阳能、风能、地热能等，这些能源不但储存丰富、分布广泛，在使用的过程中完全符合我们可持续发展的能源战略。而对而言的新能源指的是近几年人们发展起来的新能源技术，如新型二次电池、燃料电池等4。针对全球面临的环境问题及可持续发展的能源战略，开发新能源是各国必然的选择。除了大规模地发展核能外，太阳能、风能、水能、氢能等也成为人们研究的热点。太阳能是一个取之不尽用之不竭的可再生资源，据统计，太阳每分钟射向地球的能量相当于人类一年所消耗的能量。随着新能源的发展，太阳能也受
37、到人们的重视，太阳能的应用一般是把太阳能转化为热能或电能，较普及的太阳能热水器和太阳能光伏电池，目前有些国家建起了太阳能发电站，科学家也在不断研究聚集系统以发展更多的太阳能发电站，我国在太阳能发电站方面也处在初步的研究阶段。太阳能是能源界的“新宠”，因为其本身具有储存丰富且可用期较长，分布广泛且无需运输和开采，利用过程安全可靠对环境又无污染。但其中一些固有的缺点也正是人们高度重视的问题，如受区域和气候的影响，其本身存在不连续性和不稳定性，人们通常通过收集贮存部分的太阳能来解决这些问题。于是太阳能的贮存方式及材料系统成为人们研究的主要问题4。地球表面空气流动产生的动能我们就叫风能，根据地域的不同
38、，一些风能资源良好的地区我们可以利用风能解决一部分的能源问题，其利用主要是风力提水和风力发电。风力提水在世界各地已得到广泛应用，主要是在操作过程中提水机结构简单，制造成本低，水被提上来后贮存方便，其效益相当明显5。相对于风力提水，风力发电的设备要复杂一些，主要要用到发电机和蓄电池，目前为了解决发电不连续及电压频率等问题，人们提出了发电机组的并网运行，但要实现推广必须充分考虑到技术管理水平及发电成本等问题。核能作为21世纪新能源的重要组成部分，又由于其高效性一直以来受到人们的关注，核能也是唯一一种被认为可以大规模替代常规能源的能源。经过50多年的发展，核技术在不断地完善和发展，目前各国总生产能源
39、中核能都占有一定的比例。但核能利用过程中带来的污染及辐射还有一些核武器的扩散问题一直是人们争论的焦点。特别是美国的三哩岛事故及前苏联发生的切尔诺贝利灾难后，核能的利用受到了大众的质疑，因此，今后核能的发展一方面要看大众的接受程度，另一发面要着力解决反应堆的安全性和核利用的经济问题6。12电池的发展历程前面一节介绍的都是大型能源系统，蓄电池是我们身边无处不在的小能源，目前已广泛应用的有铅酸电池、镍镉电池等。随着社会的进步，科学技术的不断发展，移动通信越来越受人们的关注，其使用也越来越广泛，电池行业不断地朝小型化、寿命长、安全等方向发展，根据可持续发展战略的需要，环保成为一切事情的核心，电池业的发
40、展也必须做到无污染。新型的二次电池在竞争中应运而生。121铅酸蓄电池铅酸蓄电池是人们较早发现的二次电池，也是目前应用最广的动力电池，早先曾因为汽车的出现阻碍了电动车的发展，随着社会的发展及人类对环境保护的意识的不断加强，电动车凭着其无噪音等优势又成为人们研究的热点，而大部分的电动车使用的就是铅酸蓄电池。铅酸电池是以稀硫酸为电解液，正负极分别为二氧化铅和海绵状铅的活性物质组成的，充放电过程也就是电能和化学能间的相互转化7。其电池反应正极PBSO42H2OPBO23HHSO42E负极HPBSO42EPBHSO4总反应2PBSO42H2OPBPBO22H2HSO4铅酸电池应用虽广，但铅酸蓄电池的比能
41、量较低且铅是有毒金属，随着电动自行车行业的不断扩大，在得不到合理回收的情况下铅污染会对人体健康和环境造成严重破坏。122镍镉电池镍镉电池自20世纪初发明以来，由于充放电平稳、自放电小、循环寿命长、低温性能好、机械强度好等优点，得到了广泛的应用。其主要是以氧化镍为正极，金属镉为负极，电解液是氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液，因此它也被称为碱性电池。电化学表达式（）CD|KOH（或NAOH）NIOOH（）然而镍镉电池的一个重要缺陷是它的“记忆效应”，即在电池未充满电就使用或电池还有电的时候又继续充电，这样重复多次的充、放电后会使电池的容量逐渐降低。同铅酸电池相比，镍镉电池的价格昂贵且存在重金属污染问题。
42、随着其他新型二次电池的出现，镍镉电池将有退出市场的趋势。123NI/MH电池NI/MH电池是20世纪90年代和锂离子电池一起诞生的新型二次电池，关于锂离子电池下面会详细介绍。与已在广泛应用的NI/CD电池相比，它的能量密度较高且无镉污染，无“记忆效应”。因此一些电子设备如手机、笔记本电脑、相机等都可以使用。电池反应NIOH2MNIOOHMHNI/MH电池的负极中储氢材料的寿命和容量还需进一步提高，且其自放电大，无法满足电动工具等一些需求，批量生产过程中一些储氢材料的性能也不够稳定，这也是阻碍NI/MH电池发展的一些重要因素。124太阳能电池太阳能电池是一种光电转化装置，它与一般的电池相比存在能
43、源丰富、无污染、不需要燃料费等优势。但太阳能电池面临的问题还很多，其发展要根据国情的不同而决定，政府的支持对它的影响比较大；另一方面太阳能受天气影响较大，发电不稳定；还有就是太阳能电池所用的结晶硅原料缺乏，且其成本较高，这也是阻碍太阳能电池推广的一个重要原因。13锂离子电池锂离子电池是在20世纪后期发生石油危机的情况下诞生的，由于金属锂在金属中质量能量密度最大、质量最轻且氧化还原点位最低，因此受到当时迫切寻找替代资源的科学家们的关注，锂电池自然成为了替代能源之一。随着研究的不断加深，锂离子电池凭借自身能量密度高、自放电小、输出功率大、循环寿命长、无记忆效应、无污染等优点，自诞生短短的十几年已经
44、跃居二次电池的霸主地位（如图1）8。锂离子电池主要应用于一些高端的通信设备上，如手机、笔记本电脑、摄像机、照相机等，由于这些电子设备的迅速发展，“轻、小、薄”成为以后的发展方向，锂离子电池正是这些设备电源供应的最佳选择。另一方面，电动力车市场的不断扩大促使锂离子电池也逐渐向电动车的领域拓展。图1锂离子电池在二次电池市场占有率的趋势131锂离子电池的工作原理锂离子电池实际上也是LI的浓差电池，是锂离子在正负极材料间不断嵌入和脱逸的一个过程。充电时，LI从正极脱离，经过电解质嵌入负极，此时的正负极存在一个锂离子浓差，同时外电路提供补偿电荷到碳负极从而确保负极的电荷平衡。放电时则相反，LI从负极脱离
45、经过电解质到达正极，使正极处于富锂的状态。在正常充放电的情况下，锂离子不会破坏层状结构的碳材料和氧化物材料的晶体结构，因此它的可逆反应是比较理想的9。锂离子电池工作原理如图2。锂离子电池的主要组成材料为正极材料、负极材料和电解液，由于锂离子电池的迅猛发展，针对其各个材料的研究也取得不少突破。图2锂离子电池工作原理示意图133锂离子电池负极材料在锂离子发展的初期，主要是用金属锂负极材料来作为储锂的主体，但由于其本身存在安全问题和循环性能差最终没能商业化。继而发展的锂合金作为负极材料虽然在一定程度上解决了安全问题，但充放电过程中由于它体积的变化造成充放电容量的迅速衰减，使得它也没能用于锂离子电池的
46、负极材料上。碳材料的使用使锂离子电池产业有了突破性的进步。由于石墨间的碳原子存在SP2杂化轨道且是层状结构，因此可以实现嵌锂行为。除了碳材料外，现在研究还会涉及TIO2等一些金红石结构的氧化物负极材料和过渡金属氮化物的负极材料。随着锂离子电池的发展，其负极材料也正朝着比容量大、输出电压高、便于快速充放电和环保等方向发展10。134锂离子电池电解液电解液是电池的一个重要组成部分，它承担着电池内部离子的运输工作。因为锂的活泼性质，它能与水发生剧烈的化学反应，因此一般采用的是非水电解液。用于锂离子电池的要求必须是电导率高，热稳定性能好、电化学性能稳定且对环境友好等。之前以广泛使用的LICLO4PC/
47、DME有机溶剂电解质由于其界面不稳定造成了充放电过程中枝晶形成和容量衰退等问题引起了人们的关注，随后LIPF6等一批新的电解质代替了原来的LICLO4，到目前为止，LIPF6/PCDEC及LIPF6EC/DMC电解液被认为能满足石墨及焦炭锂离子电池工作的电解质体系。2锂离子电池正极材料的研究现状锂离子正极材料也是所有组成材料中研究最热门的，原则上具有层状和尖晶体结构的物质都可以用于锂离子电池的正极材料。但由于技术等方面的因素，目前通常使用的都是钴、镍、锰的氧化物，而这些氧化物都存在层状和尖晶石两种结构。由于尖晶石结构的不稳定性，很多时候人们研究的都是它们的层状结构。钴、镍、锰氧化物正极材料的性
48、能比较如表3。表3锂离子正极材料的性能比正极材料理论比容量（MAH/G）实际比容量（MAH/G）密度（G/CM3）特点LICOO2LINIO2LIMN2O4275274148130140170180100120500478428性能稳定，放电电压稳定，价格高热稳定性能差安全性高，高温循环和存放性差，价格低21LICOO2正极材料LICOO2是很常见的锂离子电池正极材料，由于其自身的优势很早就被应用于生产中。氧化钴锂为六方晶系，因为CO与紧密相连的氧离子形成稳定的COO2层，在八面体间隙位置相互连接形成了一维、二维和三维的通道，这样便有利于锂离子的传输。而氧化钴锂材料之所以有较大的比容量是因为锂
49、离子和CO离子能全部把八面体的位置占满7。LI在材料中的迁移过程如下充电LICOO2XLILI1XCOO2XE放电LI1XCOO2YLIXELI1XYCOO2（0X1；0YX）由于CO离子和氧可以形成共价键固定在八面体的位置上，当锂离子从八面体的一个位置向另外一个位置移动时借助的是氧离子的摆动，因而LICOO2的电导率相对其他材料而言比较低，当把它作为正极材料时需要加入导电剂作为辅助。211发展现状LICOO2的循环性能虽然优越，但也存在衰减现象，人们通过对其掺杂AL、MN、CR、NI、B和一些稀土金属等来提高LIMNO2正极材料的电化学性能。KOICHINUMATA等人发现在LICOO2中掺入MN能提高氧化钴锂的循环性能，另一方面却降低了其放电容量11。而AL的掺杂主要考虑到电池的成本及环境问题；同时CR、NI等的掺杂也会有不同的改良效果。除了掺杂外，对氧化钴锂的改性还可以从表面包覆着手。主要作为其表面包覆材料的是MGO、SNO2等，不同的包覆材料产生的效果也是不一样的。LICOO2本身的性能是比较好的，但由于地球上CO的含量比较少，不得不考虑用别的元素取代，而取代的过程一般也是损失一方面的性能而成全另一个性能，因此LICOO2正极材料的研究并没有受到太多的关注。22LINIO2正极材料与LICOO
