摘 要

锂离子电池在今天已广泛应用于社会的各行各业，与生活息息相关，目前为止，商品化的锂离子电池电解质溶液都是有机体系的，有机电解质溶液成本高并且组装相对困难并且有自燃的危险。水系锂离子电池即电解质溶液以水作为溶剂的锂离子电池，具有容量高、低成本、安全和环保等优点，在未来有希望从实验室走出去民用，可以满足电动汽车、手机电脑等设备的储能电池要求。目前，科研工作者们对水系锂离子电池的正极材料研究相对较多，研究负极材料的较少。

本文通过采用电化学极化的方法在室温下制备了地球含量丰富的水系锂离子电池的负极材料黄钾铁矾(KFe₃(SO₄)₂(OH)₆)，使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜 (SEM)对材料进行表征，通过电化学测试对其在水电解质溶液中的性能进行研究。研究表明使用电沉积的方法能够使产物均匀的分布在电极表面，中间体MnO₂电沉积14min性能较好，沉积黄钾铁矾的硫酸亚铁溶液浓度为0.07 mol/L时得到的产物性能较好，初始容量为0.13mAh/cm²，在100次恒电流充放电后仍有较高的电容量。

关键词：水系锂离子电池；负极材料；黄钾铁矾；电沉积

Abstract

In today's world, lithium-ion batteries has been widely used in all walks of life, and closely related to life, so far, commercial lithium-ion battery electrolyte solution is organic system, organic electrolyte solution cost much high and assembly is relatively difficult and there is a risk of spontaneous combustion. The water lithium-ion battery that is the electrolyte solution with water as a solvent lithium-ion battery, with high capacity, low cost, safety and environmental advantages, in the future might go out from the laboratory civilian, to using in the electric car, mobile computers and other equipment Energy storage battery requirements. At present, scientific research workers on the water lithium-ion battery anode material research is relatively more research on the cathode material less.

Jarosites(KFe₃ (SO₄)₂(OH)₆), the athode material that used in water system of lithium ion battery ,which is rich in earth, in this paper was prepared at room temperature content by using the method of electrochemical polarization . After that, X ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) were used to characteristic the material. By using electrochemical test, search its’ performance in water electrolyte solution. The results show that the product can be uniformly distributed on the surface of the electrode by electrodeposition. The electrocatalytic activity of MnO2 electrodeposition is better for 14 min, and the product with the concentration of ferrous sulfate solution is 0.045 mol / L, and the first charge capacity is 0.13mAh/cm², in the 100 times constant current charge and discharge still have a higher capacity.

Key Words: water system lithium ion battery; cathode material; jarosite; electrodeposition

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 锂离子电池简介 1

1.1.1 锂离子电池的发展历程 1

1.1.2 锂离子电池工作原理 2

1.2 水系锂离子电池电极材料种类 3

1.3 黄钾铁矾结构和性能 4

1.3.1 中间体二氧化锰的制备方法及原理 4

1.3.2 黄钾铁矾材料的制备及原理 5

1.3.3 PPY制备方法及原理 7

1.4 本论文的研究工作和目的 9

第2章 实验部分 10

2.1 实验仪器及药品 10

2.1.1 实验使用的药品 11

2.1.2 实验中使用的仪器 11

2.2 实验过程 12

2.2.1 电沉积MnO₂ 12

2.2.2 黄钾铁矾的制备 12

2.2.3 包覆PPY 12

2.3 XRD，SEM对电极材料表征 12

2.4 电化学性能测试 13

2.4.1循环伏安测试 13

2.4.2交流阻抗测试 13

2.4..3 恒电流充放电测试 13

2.5 实验结果与讨论 13

2.5.1 XRD，SEM测试 13

2.5.2 中间体二氧化锰电化学性能讨论 14

2.5.3 黄钾铁矾电化学性能讨论 17

结论 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

迄今为止，石油、煤等资源型化石燃料仍是人类对电力需求的来源。根据新闻报道，国家统计局数据显示2016年全年我国水电发电量累计10518亿千瓦时，同比增长5.9%，其中7月发电量最高，为1236.5亿千瓦时。2016年7月份全国发电量 5506 亿千瓦时，其中火电占全国发电量的比重为73.93%，水电占全国发电量的比重仅为 18.26%。化石能源的大量使用破坏了生存环境，加剧了全球气候变化，同时由于其不可再生，发展新能源已经成为了全球性的研究目的。水系锂离子电池具有低成本、环境友好、制作简单、寿命长等优点，能够满足大规模的能量存储要求，是新型可再生能源应用的必要前提，近年来水系电池的研究和商业化使用越来越受到关注。

1.1锂离子电池简介

1.1.1锂离子电池的发展历程

在18世纪50年代，莱顿大学的马森布罗克因为看到好不容易收集到的电很容易消失在空气中，因此一直寻找一种保存电的方法，在探索电能存储实验过程中发明了收集电荷的莱顿瓶，引发了巨大社会反映，从此电能的存储慢慢走进视野。紧接着在1800年，伽伐尼青蛙实验发现了生物放电现象，伏打受到这个实验的影响用铜、锡、食盐水为材料成功地制造了首个电能存储容器电池。1836年，英国的丹尼尔使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个极化小，电流能保持平衡的锌─铜电池，此后电池进入一个快速发展期。直到20世纪90年代还最为广泛用于大功率电器的可充电电池铅蓄电池也是在那个时代首次提出，1910年可充电的铁镍电池正式投入商用。

锂离子电池诞生于20世纪90年代，在那之前电池界基本看不到它的身影，商用电池主要是铅酸蓄电池、镍镉镍氢电池、干电池等为主。传统的二次电池大都含有重金属，有毒和腐蚀性的问题，造价高昂，在生产和废弃过程中会造成大量污染，同时寿命短，在锂离子电池面世后迅速被淘汰。1991年锂离子电池问世并商业化生产，锂离子电池具有良好的电容量，电位范围广，循环性能优越，优异的高低温性能受到广泛关注，快速成为电池界主导者。最初的锂电池是直接以锂金属作为电极材料，锂金属易燃，具有强腐蚀性，制造困难，不利于开采使用。同时地球锂资源存储量只有58Mt，存在形式主要为碳酸锂，并且大部分集中于海拔4000m以上的高原地带，难以开采使用，因此锂金属较贵重，商业化困难。随后锂离子电池诞生，相对锂金属电池具有更好的安全性，造价低，适用范围广同时具有锂金属电池的良好储能特性在众多电池中脱颖而出。