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一种新型碘正极材料I₂-Li（HPN）₂

作　者: 刘伟明
导　师: 傅正文
学　校: 复旦大学
专　业: 化学工程
关键词: 锂碘电池正极材料 3-羟基丙腈
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

锂金属作为自然界最轻的金属,密度只有0.535×103kg/m3,同时它的电负性也很低,标准电极电位是-3.045V(以氢电极为标准),可与多种正极材料组成电池,具有较高的工作电压和能量密度。因此在进入上世纪六十年代以来掀起了关于锂电池研究的热潮。.其中较成功的电池体系有Li-(CFx)n电池、Li-MnO2电池、Li-SO2电池、Li-SOCl2电池、Li-CuO电池和Li-12电池等。但是锂电池在发展过程中遇到一些问题,如安全性能和循环性能阻碍了锂电池的大规模商业应用。在1980年随着锂离子二次电池LiCoO2正极材料和层状结构的石墨负极材料的提出,避免了使用活泼的金属锂,从而避免锂枝晶的产生,一方面改善了电池的循环寿命,另一方面从根本上解决了安全性问题。但是锂金属负极仍然具有后面研发成功的碳负极所无法比拟的优点,例如很高的比容量(3860mAh/g)。同时有些锂电池由于其自身特性具有不可替代性,如锂碘电池在心脏起搏器方面的应用。从长远的观点来看,金属锂有可能取代锂离子电池成为最终电池产品。本论文在新型锂碘正极材料I2-Lil(HPN)2方面进行了如下研究工作。一、将LiI加入到3-羟基丙腈(HPN)中加热反应,冷却后用乙酸乙酯重结晶,得到纯净的晶体LiI(HPN)2电解质。文中最先将单质碘与LiI(HPN)2晶体按不同物质的量比混合后加热熔融值得I2-LiI(HPN)2正极电池材料,用X-射线粉末衍射(XRD)、傅立叶红外变换光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)分析手段对上述制备的电池材料进行表征分析和研究。二、作者最先将负极锂片和I2-LiI(HPN)2正极材料组装成锂碘电池。对锂碘电池的电化学性能(恒电阻放电)进行测试。通过上述实验工作建立了新的Li/I2-LiI(HPN)2电池模型,电池的开路电压为2.78V,电池内阻约为6.0kΩ/cm2。综合对LiI(HPN)2/I2正极材料和LiI(HPN)2的XRD、Raman和FT-IR分析,以及Li/I2-LiI(HPN)2电池的电化学性能测试,初步提出了Li/I2-LiI(HPN)2电池的电化学反应机理。LiI(HPN)2所起的作用为(].)在正极12与LiI(HPN)2中I-组成多碘离子13-或15-,即与碘单质组成混合正极；(2)LiI(HPN)2中锂离子通过化学键与其他原子形成阳离子骨架,碘离子有序分布在由阳离子基团形成的骨架间,这种结构具有可供碘离子高效传导的三维通道。在放电过程中,正极多碘离子得到电子,生成碘离子,同时锂原子失去电子生成锂离子,碘离子与锂离子在正极和负极之间的界面生成碘化锂层。碘化锂层具有较低的电传导率,故随着电化学反应的进行,碘化锂层变厚,电池内阻增大。通过对电池材料的理化性质和电化学性能的研究,使I2/LiI(HPN)2作为正极组成的锂碘电池有了新的进展,并对电池的电化学反应机理进行了初步解释。由于目前锂碘电池主要使用聚-2-乙烯基吡啶(P2VP)作为电池添加剂,大多数用作心脏起搏器的电源,使用寿命约为10～15年。这种电池由于制作工艺复杂,价格昂贵。如果通过改变电池有机添加剂,进一步提高电池性能,将极大的降低心脏起搏器电源更换带来的医疗风险和成本,同时拓宽锂碘电池的应用领域。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-27
  1.1 引言  9-10
  1.2 锂电池简介  10-21
    1.2.1 锂电池发展历程  10-11
    1.2.2 锂电池结构组成  11
    1.2.3 锂电池优点及应用中遇到的问题  11
    1.2.4 锂电池常见种类  11-20
      1.2.4.1 Li-(CF_x)_n电池  11-12
      1.2.4.2 Li-MnO_2电池  12-14
      1.2.4.3 Li-SO_2电池  14-15
      1.2.4.4 Li-SOCl_2电池  15-17
      1.2.4.5 Li-MoS_2电池  17
      1.2.4.6 Li-Ag_2CrO_4电池  17-18
      1.2.4.7 Li-CuO电池  18-19
      1.2.4.8 Li-H2_O电池  19
      1.2.4.9 Li-I_2电池  19-20
    1.2.5 锂电池发展前景  20-21
  1.3 碘  21-23
    1.3.1 碘单质  21
    1.3.2 碘化锂  21-22
    1.3.3 LiI(HPN)_x  22-23
  1.4 新型碘正极材料研究的理论价值及现实意义  23
  1.5 研究内容及研究思路  23-25
  参考文献  25-27
第二章实验  27-31
  2.1 实验药品与仪器  27
    2.1.1 主要实验药品  27
    2.1.2 主要实验仪器  27
  2.2 电化学性能分析  27
    2.2.1 恒阻值充放电  27
  2.3 表征方法  27-30
    2.3.1 X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)  27-28
    2.3.2 傅立叶变换红外吸收光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FT-IR)  28-29
    2.3.3 拉曼光谱(Raman Spectrum)  29-30
  本章参考文献  30-31
笫三章新型碘正极的制备与表征  31-37
  3.1 锂碘电池的制备  31
    3.1.1 LiI(HPN)_2的制备  31
    3.1.2 I_2/LiI(HPN)_2正极材料制备  31
    3.1.3 锂碘电池的组装  31
  3.2 电池材料表征  31-36
    3.2.1 XRD表征  31-33
    3.2.2 FT-IR表征  33-34
    3.2.3 Raman表征  34-35
    3.2.4 I_2/LiI(HPN)_2组分比例与物理性质  35-36
  本章参考文献  36-37
第四章新型碘正极材料的电化学测试与机理分析  37-40
  4.1 电池电化学性能测试  37-38
    4.1.1 恒电阻放电  38
  4.2 Li/I_2-LiI(HPN)_2电池电化学反应  38-39
  本章参考文献  39-40
第五章总结与展望  40-42
  本论文主要结论  40
  论文的主要创新点包括  40
  铿碘电池研究展望  40-42
附录攻读硕士期间论文发表情况  42-43
致谢  43-44

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