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碳结构对磷酸铁锂正极材料改性效果的影响 小组成员： 刘天明 142312145 王涛 142312148 蓝昌华 142311032 论述内容 1. 研究背景 2. 结构与工作原理 3. 锂离子电池的优劣势 4. 包碳改性 5. 石墨烯的杂化及电子云密度分析 6. 结论 研究背景 随着科学技术的发展以及人民物质文化生活水平的提高，人们对电池的需求量越来越大，对电池的性能的要求也越来越高。特别是随着空间技术的发展和军事装备的需求，信息和微电子工业的迅猛发展所带来的大量工业用、民用、医用便携式电子产品的问世，电动汽车的研制和开发，以及环境保护意识的增强，人们对体积小，重量轻，高能量，安全可靠，无污染，可反复充电使用的电池的需求更加迫切。锂离子电池就是在这种形式下迅速发展起来的新型高能二次电池。 结构与工作原理 LiFePO4电池的内部结构如图所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。 LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子 Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。 锂离子电池的主要优势 1、能量密度高，磷酸铁锂电池的能量密度高达 120~140Wh/kg，约为镍氢电 池的 1.8 倍，铅酸电池的 4 倍。因此在含有相同能量的前提下，锂离子电池的重量只有铅酸电池的三分之一到四分之一。 2、循环寿命长，磷酸铁锂电池循环寿命可以达到 2000 次以上。以容量保持 70%计算，铅酸电池使用年限最多 1~1.5 年，而锂离子电池组在 100%充放电使用情况下循环次数可以达到 600 次以上，使用年限达到 3~5 年 3、单体电池工作电压高达 3.7V，明显优于镍镉电池、镍氢电池和铅酸电池， 这是锂离子电池比能量高的主要原因。 1、 磷酸铁锂存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低。 2、 导电性差 3、一致性差:原因:材料成分不均,生产过程控制不好 缺点 基于优异的电化学性能，锂离子电池在移动终端及大规模储能领域已得到广泛的认可与应用，但其仍然存在一些亟待解决的问题，这些问题的存在，严重阻碍了磷酸铁锂的产业化进程，主要问题如下： 包碳改性 最常用的提高导电性的方法是在制备磷酸铁锂过程中加入含碳有机物，经热处理过后的热解碳会包覆在磷酸铁锂颗粒的表面。碳包覆能够在使 LiFePO4/C 复合物形成核壳结构，碳包覆能够提高活性物质的导电性，改善电极的高倍率性能。而且实验发现包覆的碳的石墨化度对锂电池的性能是有影响的，包碳复合材料如下图 石墨烯的杂化解析 如图所示石墨烯具有六方二维结构, 一个碳与另外三个碳原子相连，在垂直于中心碳原子有一根C3轴,还有垂直于C3轴通过中心碳原子和一个相连原子的C2轴，同时还有垂直C3轴的所有碳原子所在的镜面，因此可以判断其纯石墨烯属于D3h点群。 石墨烯的杂化解析 D3h群的特征标表 D3h E 2C3 3C2 σh 2S3 3σv 基函数 A1 1 1 1 1 1 1 s，dz2 A2 1 1 -1 1 1 -1 E 2 -1 0 2 -1 0 px，py，dx2-y2，dxy A1″ 1 1 1 -1 -1 -1 A2″ 1 1 -1 -1 -1 1 pz E″ 2 -1 0 -2 1 0 dxz，dyz Γσ，△ 3 0 1 3 0 1 σ—杂化轨道 石墨烯的杂化解析 我们得到：Γσ，△ = A1‘ + E‘ 即中心原子A的杂化轨道所属的可约表示包含一个一维的不可约表示A1和一个二维的不可约表示E。A1 和E 所对应的基向量或原子轨道如下： A1 E 杂化方式 s px，py sp2，d2s dz2 dx2 -y2, dxy p2d，d3 所以石墨烯的杂化轨道的可能有四种，即sp2、d2s 、dp2、d3四种杂化的可能性。 石墨烯的杂化解析 一个具体的结构，其中中心原子到底采用哪些原子轨道组合成杂化轨道，则要根据各原子轨道的能量