微通道反应器辅助合成纳米LiMnPO4/C正极材料开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

第二章 文献综述

2.1 锂离子电池简介

2.1.1 锂离子电池的发展

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

第一章：立论依据

课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值

课题背景：能源与人类社会的生存、发展和人们的生活密切相关，走可持续发展的道路一直是人们的共同夙愿。矿物燃料燃烧时，会释放出SO₂、CO、CO₂、NO_x等对环境有害的的物质。随着化石能源的迅速枯竭以及由于使用化石能源而引起的环境污染日益严重，如何开发使用新能源、节约使用化石能源已经成为国家的重大战略选择。作为节能减排技术的杰出代表，电动汽车成了国家和地方政府的重点发展方向。电池技术是生产电动汽车的核心，对电动汽车产业的发展壮大起着至关重要的作用。

电池作为一种将化学能直接转化成为电能的可用能源(储能、动力电池等)具有很多优点，在国民经济和国防工业中有着重要的作用。目前广泛使用的二次电池主要有铅酸电池、金属氢化物镍电池(MH/Ni)、镉镍电池(Cd/Ni)及锂离子电池。而由于环境污染和能量密度低等问题，铅酸电池、金属氢化物镍电池和镉镍电池的使用日益受到限制，正逐渐被锂离子电池所取代。与其他电池相比，锂离子电池具有能量密度高、能量功率高、工作电压高、质量轻、无记忆效应、循环寿命长、无污染等优点。作为一类重要的化学电源，锂离子电池已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备和潜艇、航空、航天领域中，并

逐步走向电动汽车及其他储能领域。

自从1958年美国加州大学的一名研究生提出以锂、钠等活泼金属做电池负极的设想后，人们便开始了对锂电池的研究与开发。锂是自然界中最轻的金属元素，其对氢电极的标准电极电位为-3.045 V，是电负性最低的金属元素。因而，若以金属锂作为负极，选择适当的材料作正极，所组成的电池体系将获得很高的电动势^[1]。但是这种电池在充电的时候，由于金属锂电极表面的不均匀性将会引起表面电位分布不均，从而造成金属锂的不均匀沉积，产生锂枝晶。当这些锂枝晶生长到一定程度时，一方面会发生折断而产生死锂；另一方面，锂枝晶穿透隔膜，造成电池的短路，使电池着火甚至发生爆炸，从而引发严重的安全问题。1972年，Exxon公司的Li/TiS₂体系电池正是由于该原因而未能实现该产品的商品化。

锂二次电池的突破性发展源于Armand的摇椅电池(Rocking ChairBatteries)的构想^[3]，这一突破性的设计，使得锂二次电池的商业化成为了可能。20世纪80年代末至90年代初，人们发现使用具有石墨结构的碳材料可以取代金属锂作为负极，而正极则使用金属锂与过渡金属的复合氧化物，电解质可用含有LiPF₆的EC或DMC有机溶液来构成新的电池体系。该体系电池成功解决了以金属锂或者其合金为负极的锂电池所存在的安全隐患，并提高了电池的能量密度。1991年，日本索尼能源技术公司率先成功开发了以LiCoO₂为正极，聚糖醇热解碳为负极的的锂离子电池，其比能量高达120-150 Whkg^-1，电压高达3.6 V。人们简单地将其称为锂离子二次电池或锂离子电池。同年Moli和Sony两大电池公司也推出了以碳为负极的锂离子二次电池。

1993年美国贝尔电讯公司报道了采用PVdF工艺生产的聚合物锂离子电池(PLIB)，这是一种全新结构的锂离子电池，是锂离子电池发展的重大突破。该电池的单位能量比目前一般的锂离子电池提高了50%，其在容量、充放电特性、安全性、循环寿命、工作温度范围等方面都较传统的锂离子电池有了大幅的提高和改善。聚合物锂离子电池是在正极、负极和电解质中至少有一项或者一项以上采用高分子材料作为电池系统的主要组成的电池。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，聚合物材料主要被应用于正极或者电解质中。该电池与液态锂离子电池的主要区别是，其电解质以固态或胶体的形式存在，无自由液体电解液，因此电池的可靠性和可加工性大大提高，不易因电池的过量充电、碰撞或者其他损

害以及过量使用而造成危险情况^[4]。

立论依据：：

与其他二次电池相比，锂离子电池具有以下的优点：

(1) 平均输出电压高。通常单体锂离子电池的电压超过3.6 V，是碱性电池的3倍；

(2) 比能量密度高，可达120-150Whkg^-1，是镍镉电池的2-3倍；

(3) 寿命长，循环次数多。锂离子电池的使用寿命可高达500-1000次；

(4) 自放电率小。镍氢电池的月自放电率60%，镍镉电池为30%，而锂离子电池仅有6%-8%；

(5) 无记忆效应。镍镉电池和镍氢电池的记忆效应较重；

(6) 锂离子电池中不含有铅和镉等有害物质，对环境友好，是绿色环保电池。

(7) 工作范围宽，在-25~ 45 ℃下都能使用。

尽管锂离子电池具有很多的优点，但是仍存在很多没有解决的问题：

(1) 生产工艺复杂，成本较高；

(2) 必须有保护电路以防止过充电；

(3) 与普通电池相容性差，一般需用3节普通电池才能与其进行替代^[5]

课题研究目的：

对LiMnPO₄的晶体结构及颗粒形貌进行优化，改善其电化学活性，提高其电化学性能，探讨其电化学特性是本文的主要研究目的。具体研究目的包括：

(1) 研究固相反应历程中热处理温度和时间与LiMnPO₄结构、形貌和性能的变化规律。采用以抗坏血酸作为有机碳源，讨论其添加量与终产物在结构、形貌及电化学性能等方面的关系，以期合成具有电化学活性的LiMnPO₄/C正极材料。

(2) 利用多元醇法一步合成纳米片状LiMnPO₄颗粒，以解决颗粒纳米化及电化学活性低的难题。着重研究颗粒尺寸、粒径分布，微观形貌及电化学性能与搅拌速率的变化规律；分析探讨纳米片状颗粒的生长取向及电化学特性。

(3) 通过微通道反应器辅助合成纳米片状Mn₃(PO₄)₂3H₂O颗粒，研究其元素组成与溶液pH值及流量的变化规律。通过利用Mn₃(PO₄)₂3H₂O纳米前驱体合成LiMnPO₄/C纳米颗粒，探讨样品晶体结构、颗粒形貌及电化学性能方面与煅烧温度的变化规律，解决纳米颗粒碳包覆问题，探讨样品的脱锂嵌锂机制及电

化学特性。

(4) 利用微通道反应器辅助共沉淀法合成LiMnPO₄/C纳米颗粒，探寻前驱体及最终产物的元素组成、物相结构、形貌特征及电化学性能与Li盐浓度的变化规律，解决高温煅烧下颗粒纳米化的难题，以期获得高容量的纳米LiMnPO₄/C

复合正

第三章：工作计划

第四章：评审意见

极材料。