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(kuò)散系數(shù)，影響M-O的強(qiáng)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(dǎo)電性。2. NCM材料中過渡金屬離子的在放電過程中價(jià)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(diǎn)，并且如何改進(jìn)？缺點(diǎn)：Ni2+與Li+半徑接近，部分Ni2進(jìn)入Li+層，導(dǎo)致陽離子混排，影響循環(huán)性能，長期與電解液接觸導(dǎo)致金屬離子溶出，電解液中少量HF會(huì)腐蝕電極，增大阻抗。震實(shí)密度較低，放電電壓

2、偏低。改進(jìn)：改進(jìn)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(jià)的是什么？有何用途？Mn離子保持在+4價(jià)，沒有體現(xiàn)出電化學(xué)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(fèi)被6個(gè)O2-包圍，形成MO6八面體。Ni2+與Li+半徑相近，充電過程中，Ni2+會(huì)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(diǎn)？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(duì)于石墨負(fù)極材料，在高菱方相含量增加時(shí)，為什么儲(chǔ)鋰容量得到提高？機(jī)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(chǔ)鋰，六方相和菱方相晶界儲(chǔ)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(diǎn)？碳電極從開路電壓被極化至較低電壓時(shí)，有機(jī)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(yīng)，不溶的還原產(chǎn)物沉積形成鈍化層。優(yōu)點(diǎn)：阻止電極和電解液的進(jìn)一步反應(yīng)。缺點(diǎn)：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(dǎo)，致密，好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)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(chǔ)鋰能力強(qiáng)。5. 石墨類負(fù)極材料存在哪些缺點(diǎn)？為什么？對(duì)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(kuò)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(diǎn)？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(fù)極材料有何特點(diǎn)？5.TiO2按照儲(chǔ)鋰狀態(tài)Li-TiO2計(jì)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(fù)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(diǎn)和缺點(diǎn)？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(duì)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(kuò)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(duì)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?yàn)橐浑A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(fù)極的充電過程，負(fù)極充電電位降低，所以一階電位更低。3. 對(duì)于石墨負(fù)極材料，在高菱方相含量增加時(shí)，為什么儲(chǔ)鋰容量得到提高？高菱方相由六方相經(jīng)機(jī)械球磨獲得，在機(jī)械加工過程中，會(huì)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(chǔ)存在晶界中。納米錫基負(fù)極材料1.解釋CV曲線2.Sn基材料有哪些優(yōu)點(diǎn)

7、與缺點(diǎn)？3.怎么提高Sn基材料的性能？4.過渡金屬氧化物主要儲(chǔ)鋰機(jī)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(fù)極集流體不用鋁箔？LiFePO41.為什么制備球形LiFePO4顆?？梢蕴岣唠姵氐哪芰棵芏龋?.為什么LiFePO4低溫性能差？3.（缺失）4.為什么對(duì)LiFePO4進(jìn)行摻雜？5.怎樣提高LiFePO4電子導(dǎo)電性？6.怎樣提高鋰離子在LiFePO4的擴(kuò)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(xué)反應(yīng)方程式？2.描述鋰硫電池的穿梭效應(yīng)？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(jī)理。鈉離子電池1.為什么傳統(tǒng)

8、的石墨材料可以儲(chǔ)鋰，但是儲(chǔ)鈉性能較差？2.硬碳與石墨材料比較，哪種材料儲(chǔ)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(gè)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(tái)：2.4VII：液相轉(zhuǎn)變過程Li2S8轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇艿亩嗔蚧風(fēng)i2Sn溶解的Li2S8相當(dāng)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(yīng)過程Li2S8Li2S2、Li2S放電平臺(tái)：2.1v此階段對(duì)容量貢獻(xiàn)最大。IV：固-固反應(yīng)階段Li2S2Li2S當(dāng)放

9、電產(chǎn)物主要是Li2S時(shí)，電池有更高的容量和稍低的電壓平臺(tái)，第四階段變短甚至消失。Li2S2、Li2S導(dǎo)電性差，反應(yīng)緩慢，極化大。2. 描述鋰硫電池的穿梭效應(yīng)中間產(chǎn)物多硫離子Sx2-不斷溶解進(jìn)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(kuò)散到金屬鋰負(fù)極一側(cè)，并與之發(fā)生還原反應(yīng)形成低價(jià)態(tài)Sy2-（4yx），隨后又?jǐn)U散到正極表面并再次被氧化成Sx2-（4x），如此反復(fù)與正負(fù)極之間，形成“多硫化物穿梭效應(yīng)”。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(jìn)？負(fù)極鋰的穩(wěn)定性：S、Li2S是絕緣

10、體：增加導(dǎo)電劑或者與高導(dǎo)電性材料復(fù)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(chǔ)鋰的電化學(xué)反應(yīng)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(fù)極材料的主要組成？正極：Ni(OH)2、導(dǎo)電劑、溶劑、粘結(jié)劑、基體。負(fù)極：活性物質(zhì)（儲(chǔ)氫合金粉）、粘結(jié)劑、溶劑、導(dǎo)電劑、基體。2. 解釋搖椅式電池？充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極之間穿梭，從一邊“搖”到另一邊，往復(fù)循環(huán)，相當(dāng)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(fù)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(yīng)界面，并且有表面儲(chǔ)鋰的功能，可以提高材料的儲(chǔ)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(dǎo)率，可以提高材料的倍率特性。鋰空氣電池1. 描述有機(jī)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