能源材料小組問題集(部分已解答)

1、能源材料小組問題集NCM1. 為什么離子摻雜和表面包覆可以用來改性三元材料？離子摻雜：部分抑制陽離子混排，提高鋰離子的擴散系數(shù)，影響M-O的強度，穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。表面包覆：減少電極材料與電解液接觸，防止金屬離子溶出，提高倒導電性。2. NCM材料中過渡金屬離子的在放電過程中價態(tài)如何變化？0x1/3 Ni2+Ni3+1/3x2/3 Ni3+Ni4+2/3x1 Co3+Co4+3.NCM正極材料存在哪些缺點，并且如何改進？缺點：Ni2+與Li+半徑接近，部分Ni2進入Li+層，導致陽離子混排，影響循環(huán)性能，長期與電解液接觸導致金屬離子溶出，電解液中少量HF會腐蝕電極，增大阻抗。震實密度較低，放電電壓

2、偏低。改進：改進制備工藝，離子摻雜，表面包覆。4.NCM材料在放電過程中過渡金屬離子不發(fā)生變價的是什么？有何用途？Mn離子保持在+4價，沒有體現(xiàn)出電化學活性。不變的MnO6八面體結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)。5.解釋NCM中的陽離子混排？該材料為巖鹽結(jié)構(gòu)，Li+處于3a位，M為3b位，O2-處于6c位。過渡金屬M被6個O2-包圍，形成MO6八面體。Ni2+與Li+半徑相近，充電過程中，Ni2+會占據(jù)Li+的位置。富鋰正極材料1.富鋰正極材料存在的缺點？2.為什么富鋰正極材料首次不可逆容量損失較大？3.簡述一下富鋰正極材料充電過程？4.過渡金屬氧化物如：CrO2，ZrO2，SiO2用于包覆富鋰正極材料

3、，主要作用有哪些？5.為什么富鋰正極材料呈現(xiàn)出較高的容量？6.xLi2MnO3（1-x）LiMO2為什么叫做富鋰正極材料？碳材料（？）1. 對于石墨負極材料，在高菱方相含量增加時，為什么儲鋰容量得到提高？機械加工過程中菱方含量增加引入更多結(jié)構(gòu)缺陷（晶界和線缺陷），阻止溶劑化鋰離子共嵌入層間；除了層間儲鋰，六方相和菱方相晶界儲鋰容量更高。2. 碳材料表面為什么容易形成SEI膜，SEI膜有什么優(yōu)缺點？碳電極從開路電壓被極化至較低電壓時，有機電解液中的溶劑、鋰鹽陰離子和痕量雜質(zhì)在電極表面發(fā)生還原分解反應，不溶的還原產(chǎn)物沉積形成鈍化層。優(yōu)點：阻止電極和電解液的進一步反應。缺點：減少可逆容量；增加界面電

4、阻影響倍率性能；高溫下SEI膜分解可能造成安全問題。3. 優(yōu)良的SEI膜必須具備的性能？電子絕緣離子可導，致密，好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。4. 為什么有些碳納米材料的容量高于石墨的理論比容量？納米化后鋰離子傳輸距離縮短，加快嵌脫；更大的比表面積利于鋰離子嵌入；缺陷和界面儲鋰能力強。5. 石墨類負極材料存在哪些缺點？為什么？對電解液敏感，易發(fā)生溶劑共嵌入；片層剝離，影響循環(huán)穩(wěn)定性；層間距小，鋰離子擴散速率小，影響大電流充放性能；首次庫侖效率低，尤其是比表面積大的微晶石墨。TiO21.（缺失）2.TiO2作為鋰離子電池存在哪些優(yōu)點？3.為什么氮摻雜TiO2提高性能？4.除了TiO2-B外，TiO2

5、還有哪幾種主要晶相；與其他晶相相比，TiO2-B負極材料有何特點？5.TiO2按照儲鋰狀態(tài)Li-TiO2計算，理論比容量為335mAh/g，為什么銳鈦礦TiO2的容量通常167mAh/g?6.為什么合成納米TiO2負極材料？7.提升TiO2材料性能的方法主要有哪些？LiMn2O41.LiMn2O4容量衰減的主要原因？2.簡述LiMn2O4的晶體結(jié)構(gòu)？3.為什么LiMn2O4放電至3.0V以下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定？4.LiMn2O4正極材料的優(yōu)點和缺點？5.描述LiMn2O4中錳離子在電解液中的溶解過程。石墨1. 石墨為什么要改性？石墨對電解液敏感，在充放電過程中，容易發(fā)生溶劑共嵌入，降低嵌鋰能力。容易發(fā)

6、生片層玻璃現(xiàn)象，影響其循環(huán)穩(wěn)定性。層間距較小，鋰離子擴散速率小，影響其大電流充放電特性。首次庫倫效率低，不可逆容量損失大。2. 對于石墨嵌鋰化合物，1階電位低還是4階電位低？為什么？一階電位低。因為一階石墨嵌鋰化合物中的鋰離子數(shù)目最大，發(fā)生嵌鋰過程，是負極的充電過程，負極充電電位降低，所以一階電位更低。3. 對于石墨負極材料，在高菱方相含量增加時，為什么儲鋰容量得到提高？高菱方相由六方相經(jīng)機械球磨獲得，在機械加工過程中，會引入更多的結(jié)構(gòu)缺陷，阻止溶劑化鋰離子共嵌入石墨層間。菱方相的引入，增加了菱方相和六方相的晶界，鋰離子可以儲存在晶界中。納米錫基負極材料1.解釋CV曲線2.Sn基材料有哪些優(yōu)點

7、與缺點？3.怎么提高Sn基材料的性能？4.過渡金屬氧化物主要儲鋰機制有哪些？5.錫基材料可以用于鋰離子電池正極材料嗎?為什么？6.為什么鋰離子電池負極集流體不用鋁箔？LiFePO41.為什么制備球形LiFePO4顆粒可以提高電池的能量密度？2.為什么LiFePO4低溫性能差？3.（缺失）4.為什么對LiFePO4進行摻雜？5.怎樣提高LiFePO4電子導電性？6.怎樣提高鋰離子在LiFePO4的擴散能力？鋰離子電池納米硫化物1.寫出MnS嵌鋰過程的電化學反應方程式？2.描述鋰硫電池的穿梭效應？3.鋰硫電池存在哪些基本問題？4.（缺失）5.描述一下鋰離子電池的充放電機理。鈉離子電池1.為什么傳統(tǒng)

8、的石墨材料可以儲鋰，但是儲鈉性能較差？2.硬碳與石墨材料比較，哪種材料儲鈉容量更高？為什么？3.什么是FEC？在鈉離子電池中的作用？鋰硫電池1. 描述一下鋰硫電池的放電過程？1/8S+2Li+2e-Li2S鋰硫電池放電分四個階段：I：S8S82S8、高聚態(tài)長鏈的S82-組成在電場作用下，生成的Li2S8立即溶解于電解液。放電平臺：2.4VII：液相轉(zhuǎn)變過程Li2S8轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇艿亩嗔蚧風i2Sn溶解的Li2S8相當于液態(tài)正極，隨多硫化物鏈長的變短，電壓逐步降低。III：液-固反應過程Li2S8Li2S2、Li2S放電平臺：2.1v此階段對容量貢獻最大。IV：固-固反應階段Li2S2Li2S當放

9、電產(chǎn)物主要是Li2S時，電池有更高的容量和稍低的電壓平臺，第四階段變短甚至消失。Li2S2、Li2S導電性差，反應緩慢，極化大。2. 描述鋰硫電池的穿梭效應中間產(chǎn)物多硫離子Sx2-不斷溶解進入電解液中，易造成可逆容量較大損失，循環(huán)性能惡化；在充電末期，溶解于電解液的Sx2-（4x）容易擴散到金屬鋰負極一側(cè)，并與之發(fā)生還原反應形成低價態(tài)Sy2-（4yx），隨后又擴散到正極表面并再次被氧化成Sx2-（4x），如此反復與正負極之間，形成“多硫化物穿梭效應”。3. 引入金屬氧化物（MnO2），為什么可以改善鋰硫電池正極的性能？4. 鋰硫電池主要存在哪些難題？怎樣改進？負極鋰的穩(wěn)定性：S、Li2S是絕緣

10、體：增加導電劑或者與高導電性材料復合。多硫化物的溶解：（Li4Ti5O12？）1.解釋鋰離子電池層狀正極材料的陽離子混排現(xiàn)象？2.描述Li4Ti5O12嵌鋰過程中，結(jié)構(gòu)的變化？3.寫出MnO儲鋰的電化學反應式。4.為什么尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰材料不能過放電至3.0V以下？（鎳氫電池？）1. 解釋鎳氫電池正負極材料的主要組成？正極：Ni(OH)2、導電劑、溶劑、粘結(jié)劑、基體。負極：活性物質(zhì)（儲氫合金粉）、粘結(jié)劑、溶劑、導電劑、基體。2. 解釋搖椅式電池？充放電過程中，鋰離子在正負極之間穿梭，從一邊“搖”到另一邊，往復循環(huán)，相當于鋰的濃差電池。3. 為什么石墨烯可以提高過渡金屬氧化物負極材料的性能？石墨烯有較大的比表面積，提供了電極材料和電解液反應界面，并且有表面儲鋰的功能，可以提高材料的儲鋰能力。石墨烯為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為電子轉(zhuǎn)移提供了互聯(lián)的通道，提高了電子電導率，可以提高材料的倍率特性。鋰空氣電池1. 描述有機電解液體系鋰空氣電池充放電原理。O2+e-O2-O2-+Li+LiO22LiO2Li2O2+O22. 鋰空氣電池正極主要由什么組成？主要由活性材