摘 要

相比于其他储能电池如铅酸蓄电池、碱性锌锰电池、铬镍电池等，锂离子电池有工作温度范围宽、无记忆效应、工作电压高、体积及质量比能量高、循环寿命长、环境友好、高能量密度等优点，这使得锂离子电池成为世界上使用最广泛的二次电池，尤其在电子设备领域。而当今环境污染越来越严重，化石能源越来越匮乏，越来越多的人开始研究把锂离子电池作为汽车动力能源，这就对锂离子电池的容量、循环寿命以及安全性提出了更高的要求。而电池的容量在很大程度上由电极材料决定，而负极材料对电池容量的影响比正极材料大的多。目前的碳基负极材料基本已经到了性能的极限，因此寻找新型的负极材料成为提高锂离子电池性能的关键。

亚氧化钛具有优良的导电性，比重小，耐磨性很好，机械强度高，耐强酸强碱，是一种可行的锂离子电池负极材料。本文研究的就是用钛黑取代石墨作为锂离子电池的负极材料对锂离子电池的性能的影响。本文从武汉泰福丽锂电材料有限公司生产的原料中对钛黑进行了分离，，研究了钛黑的分离技术，并对其进行了物相分析并表征其结构与性能的关系。

关键词：锂离子电池 负极材料 钛黑 分离技术

Abstract

Lithium-ion battery has a wide operating temperature range, no memory effect, high operating voltage, volume and mass ratio of high energy, long cycle life, environment-friendly, high energy density compared to other energy storage batteries such as lead-acid batteries, alkaline zinc-manganese batteries, chromium-nickel batteries, which makes the lithium-ion battery to become the world's most widely used secondary battery, especially in the field of electronic equipment. And today's environmental pollution is more and more serious, fossil energy is increasingly scarce, more and more people began to study the lithium-ion battery as a car power energy, which make higher requirements to capacity, cycle life and safety of lithium-ion battery. And the capacity of the battery is largely determined by the electrode material,and the negative electrode materials play a more important role on the battery capacity than the positive electrode materials. The current carbon-based anode material has basically reached thelimit of performance, so looking for a new type of anode material is the key to improve the performance of lithium-ion battery.

Titanium black has excellent conductivity, small specific gravity, good wear resistance, high mechanical strength, strong acid and alkali resistance, making it a viable lithium ion battery anode material. This paper is to study the use of titanium black instead of graphite as a lithium-ion battery anode material on the performance of lithium-ion battery. In this paper, the separation of titanium black from raw materials produced by Wuhan Tai Fuli Lithium Material Co., Ltd was carried out, and the relationship between the structure and properties was characterized by phase analysis.

Key words: Lithium Ion Battery; negative material; titanium black; separation technology

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 锂离子电池的发展历史 1

1.3锂离子电池工作原理 2

1.4 锂离子电池正极材料 3

1.4.1层状正极材料 3

1.4.2橄榄石型正极材料 4

1.4.3 尖晶石型正极材料 5

1.5锂离子电池负极材料 5

1.5.1碳基负极材料 6

1.5.2金属锂负极 6

1.5.3合金化材料 7

1.5.4过渡金属氧化物 7

1.5.5 TiO₂负极材料 8

1.5.6 钛黑材料 8

1.6 本论文的研究意义及内容 9

第2章 钛黑的分离 10

2.1对沉积的钛黑的分离 10

2.2对悬浊液中钛黑的分离 11

第3章 钛黑的表征 12

3.1 X射线物相分析 12

3.2扫描电镜（SEM）显微结构分析 14

第4章 结论与展望 17

4.1结论 17

4.2展望 17

参考文献 19

致谢 21

1. 绪论

1.1研究背景

能源是人类赖以生村和发展的重要物质基础。是国民经济发展的命脉。煤炭、石油、天然气等化石能源一直是人类使用的主要能源^[1]。科技革命后人类消耗能源的速度急剧增加。化石能源的短缺以及使用化石能源带来的严重污染致使人类开始发展使用可再生能源，如太阳能、风能地热能海洋能等。用太阳能、风能等发的电需要用储能设备来产生稳定的电。最常用的储能设备就是二次电池，如铅酸电池、锂离子电池、液流电池等。与其他储能体系相比，锂离子电池具有以下优点^[2].[3].[4]：(1)工作温度范围宽；(2)无记忆效应；(3)工作电压高；(4)体积及质量比能量高，具有优良的高低温放电性能；(5)自放电率小；(6)循环寿命长；(7)不含有铅、镉等有毒、有害物质，环境友好，是真正的绿色环保电池。因此锂离子电池可以说是最适合的储能装置。

在各种能源消耗中，交通对能源的消耗占很大一部分。由于化石能源的短缺，锂离子电池开始被人们用作汽车的驱动能源，同时也能减少由于使用化石能源所带来的污染问题。为电动汽车提供动力的动力型锂离子电池需要更好的倍率性能、循环寿命和安全性。因此研究高安全性、高比能量、高稳定性的锂离子电池材料就显得很重要。

1.2 锂离子电池的发展历史

锂离子电池的发展主要分为三个阶段，首先是采用金属锂作为负极的锂原电池阶段，然后是采用非水电解液的锂离子电池阶段，最后是采用固体聚合物作为电解液的聚合物锂离子电池阶段。最初的锂电池都是原电池。最早商业化的可充锂离子电池的尝试是在20世纪70年代末80年代初期，由美国Exxon公司生产的，其阴极为TiS₂^[5]。1972年Matsushita报道Li/(CF)_n原电池。同年Moser报道固体Li/LiI/IPVP电池；1978年Armand报道聚合物电解质Li/PEO/V₂O₅； 1980年Scrosati报道摇椅式LiWO₂/TiS₂电池^[4]；1991年Sony生产商业化C/LiCoO₂电池，Sony公司对锂离子电池的商业化做出了巨大贡献，并提出了“锂离子电池”的概念^[6]。1997年Goodenough报道LiFePO₄电池，比传统的正极材料更具安全性尤其耐高温与耐过充性能远高于传统锂离子电池电极材料^[7]。如今，随着技术的发展。锂离子电池在手机、笔记本电脑、电动汽车、电动自行车等领域得到广泛的应用，锂离子电池行业保持快速增长的趋势。

1.3锂离子电池工作原理

锂离子电池实际上是一种摇椅式的浓差电池，原理图如图1.3所示。正负极都是由可脱嵌锂的化合物组成。充电时,Li 从正极材料中脱出，经过电解质传输，嵌入负极材料中，此时正极处于贫锂状态，电子经过外电路到达负极使电路处于平衡态，形成充电电流。放电时，情况刚好相反，锂离子从负极材料中脱落，通过电解扩散到正极，并嵌入正极晶格中。Li 在正极富集，负极处于贫锂状态，电子由外电路从负极到达正极，相当于由Li 的浓度差构成的电池^[8]。锂离子在两极间来回穿梭，想摇椅一样来回摆动，因此被比喻为“摇椅式电池”。