材料电化学研究方法经典：.ppt

锂离子电池电性能研究方法 锂离子电池电性能研究 锂离子电池的工作原理 锂离子电池充放电示意图 充电的时候，锂离子由正极移向负极，锂离子从正极脱出，进入到电解液中，电解液中的锂离子嵌入到负极材料中，而外电路中电子从负极流向正极， 放电则正好相反，锂离子从负极移向正极，外电路中电子从正极流向负极。 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 循环伏安法—种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，检测电极电流随着电极电位的变化曲线，通过曲线来分析发生的电化学反应的步骤和机理等。 充放电及循环性能的测试 对做好的电池进行恒流充放电测试是测试电化学性能最直接的方法。恒流充放电是最常用的充放电方式，充放电过程中温度高低，电流大小都会对最终的测试结果有一定影响。不同的材料由于本身的特性都有自己特定的截止电压。 锂离子电池电性能研究 电化学交流阻抗测试 电化学交流阻抗是电化学分析的重要方法之一，它是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法。在锂离子电池材料的应用是将小振幅的正弦波信号作用于电极，使电极电位在平衡电极电位附近产生扰动，测得电极阻抗，然后通过和等效电路进行模拟分析锂离子电池内部的动力学过程和机理，进而对材料的性能进行分析。 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 循环伏安法的原理与线性扫描伏安法相同, 只是比线性扫描伏安法多了一个回扫, 所以称为循环伏安法。 线性扫描伏安法是在电极上施加一个线性变化的电压 , 即电极电位是随外加电压线性变化记录工作电极上的电解电流的方法。记录的电流随电极电位变化的曲线称为线性扫描伏安图。 可逆电极反应的峰电流如下: 式中, n为电子交换数；A为电极有效面积；Do为反应物的扩散系数；v为电位扫描速度；Co为反应物 (氧化态 ) 的本体浓度。 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 式 (1) 也可以简化为： 即峰电流与电位扫描速度 v的 1 /2次方成正比, 与反应物的本体浓度成正比。这就是线性扫描伏安法定量分析的依据。对于可逆电极反应, 峰电位与扫描速度无关： 但当电极反应为不可逆时 (准可逆或完全不可逆) , 峰电位Ep随扫描速度 v增大而负 (或正) 移。 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 锂电池研究中常常以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，分别代表氧化波和还原波，如果前半部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。 因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，其电流—电压曲线称为循环伏安图如下： 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 循环伏安法有两个重要的实验参数, 一是峰电流之比, 二是峰电位之差。对于可逆电极反应, 峰电流之比 | i pc / i pa∣(阴极峰电流 ipc与阳极峰电流 i pa之比 ) 的绝对值约等于 1。 峰电位之差 ΔEp (阴极峰电流 Epc与阳极峰电流 Epa之差, ΔEp = |Epa - Epc|) 约为60mV(25℃) ， 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 左图为庄大高制备的磷酸亚铁锂一个循环伏安曲线，通过曲线可以看到一对峰形相似，对称性好的氧化还原峰，氧化峰(3.811V附近)对应于Li十从LiFePO4中脱出形成FePO4的反应，而还原峰(3.149V附近)对应于Li十嵌入FePO4生成LiFePO4的反应。说明在2.75-4.2V的电位范围内Li十在LiFePO4中的脱嵌反应为一两相过程。但氧化还原峰电位之差达0.662V，说明存在较大的极化，电极反应过程动力学性能差。 锂离子电池电性能研究 循环伏安性能测试 从图中可以看出，在 1.7V 有一个较明显的氧化峰，即锂离子的脱出过程，1.48V 有较明显的还原峰，即锂离子的嵌入过程，两者峰型相似，对称性较好，这两个峰电流几乎相同，表明中空结构纳米 Li4Ti5O12电极材料在嵌锂和脱锂过程中，有很好的动力学性能。 锂离子电池电性能研究 充放电及循环性能的测试 左图为中空 Li4Ti5O12作为锂电池负极材料，在 1-2.5V 范围内在不同电流密度下的首次充放电曲线，其中 1C=175mAh/g。在不同的电流密度(0.2C、1C、2C)下进行充放电，材料均表现出了比较明显的充放电的电压平台，从 0.2C增大到 2C，放电电压平台和充电电压平台的电位差依次略微增大，