应用化学铁箔在柠檬酸作用下的氧化行为及电化学性能研究毕业论文.docx

1、应用化学铁箔在柠檬酸作用下的氧化行为及电化学性能研究毕业论文 本 科 生 毕 业 论 文 学 院 化 学 与 生 物 技 术 学 院 专 业 应 用 化 学 届 别 2015届 题 目 铁箔在柠檬酸作用下的氧化行为 及电化学性能研究 学生姓名 孙 冬 林 学 号 201113409250 指导教师 苏长伟副教授 云南民族大学毕业论文(设计)原创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文(设计)，是本人在指导教师的指导下进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，本论文没有抄袭、剽窃他人已经发表的研究成果。本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文(设计)作者签名： 日期： 年 月 日 关于

2、毕业论文(设计)使用授权的说明 本人完全了解云南民族大学有关保留、使用毕业论文(设计)的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文(设计)。 （保密论文在解密后应遵守） 指导教师签名： 论文(设计)作者签名： 日期： 年 月 日 目录 摘要-4 1.前言-41.1电沉积铁箔-51.2铁箔在锂离子电池中的应用-51.3本实验研究内容以及意义-52.实验部分-62.1实验药品和仪器-62.2实验流程-62.3实验过程-73.实验结果与讨论-83.1铁箔SEM图和EDS图-83.2相同时间不同氧化温度下（加柠

3、檬素与不加柠檬酸）铁箔作电池负极的充放电曲线以及电循环性能分析-93.3相同温度不同氧化时间下铁箔作负极电池的充放点曲线分析以及电循环性能分析-11结论 - -12参考文献-13致谢-14 铁箔在柠檬酸作用下氧化的行为及 电化学性能研究 作者：孙 冬 林 指导老师：苏长伟副教授 （云南民族大学化学与生物技术学院 11级应用化学（1）班 云南昆明：650500） 摘要：近年来，越来越多的新技术不断的涌现，而本文在国内外锂离子电池负极材料研究的基础上，针 对负极材料存在的容量低、循环性能差等的不足，通过研究寻找新材料来改善这一方面的缺点。首先电沉积法因其经济、环保的优点用来制备铁箔，通过加柠檬酸作

4、用下改变加热时间和温度，来研究其作为负极材料对电池循环性能的影响。可以得出以下结论： 通过改变氧化时间和温度，电池的电容量、电循环性能都有所改进。 关键词：锂离子电池的负极材料、电沉积、电池循环性能、温度、时间 Iron foil under the effect of citric acid and oxidation behavior Electrochemical performance study Authors:Sun Dong Lin Advisor: Su Chang wei (Chemistry and biotechnology at Yunnan minzu Univers

5、ity College grade 11 applied chemistry (1) Kunming 650500) Abstract: in recent years, more and more new technologies constantly emerge, and this article both at home and abroad on the basis of research on anode materials for lithium ion batteries, for anode materials of low capacity, poor performanc

6、e of the cycle of disadvantage through research looking for new materials to improve the shortcomings in this area. First electric deposition law due to its economic, and environmental of advantages used to preparation iron foil, By adding citric acid under the action of change heating time and temp

7、erature, to study the effect the performance of the cell cycle as the cathode material. You can draw the following conclusions:By changing oxidation temperature and time, the battery of electric capacity, electric loop performance is improvedKey words: Lithium ion battery anode materials, electropla

8、ting, battery performance, temperature and time 1.前言 铁在自然界分布极广，是地壳的主要组成成分之一，元素含量分布仅次于氧、硅和铝。铁在我们生活中应用也很广泛，是最价廉、最重要、最有用的金属。铁也是铸铁和碳钢的主要元素，工业生产中各种建造材料均离不开钢铁工件。铁箔具有良好的延展性、具有优良的力学性能、磁性，还可以作锂离子电池的集流体，并且其资源丰富、价格低廉、应用前景广阔。 1.1电沉积铁箔 电沉积是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程，是金属电解冶炼、电解精炼、电镀和电铸过程的基础。具体金属电沉积是通过电解的方法，即

9、通过在电解池阴极上金属离子的还原反应和新生态金属原子在固体表面电结晶生成金属层的过程，其目的是改变固体材料的表面性能或制取特定成分和性能的金属材料1 。电化学沉积法是在在外加电源下，通过在电解池阳极上的氧化反应或阴极上的离子还原反应和电结晶在固体表面生成沉积层的过程。电沉积方法可分为阳极电沉积和阴极电沉积。阴极电沉积方式相对于阳极电沉积方式来说，膜层厚度容易控制，因此应用更加广泛。而且电沉积方法比冶金方法更有利于环保、更经济,电沉积制备合金箔材是当今箔材发展的趋势，比如电沉积制备的非晶态铁箔或镍箔2以及镍-磷、铁-磷3-4、镍-铁合金5材料都具有很好的机械物理性能，而在此研究中则主要用电沉积法

10、制备铁箔。 1.2铁箔在锂离子电池中的应用 锂离子电池(Lithium Ion Battery，简称LIB) 是继镍镉电池、镍氢电池之后的第三代小型蓄电池。作为一种新型的化学电源，它具有工作电压高、比能量大、放电电位曲线平稳、自放电小、循环寿命长、低温性能好、无记忆、无污染等突出的优点，能够满足人们对便携式电器所需要的电池小型轻量化和有利于环保的双重要求，广泛用于移动通讯、笔记本电脑、摄放一体机等小型电子装置，也是未来电动交通工具使用的理想电源6。锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌

11、入到负极中，放电时则相反6-8。而锂离子电池能否成功应用，关键在于能可逆地嵌入脱嵌锂离子的负极材料的制备。 负极材料是锂离子电池的主要组成部分，负极材料性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能和锂离子电池能否成功应用。近年来对锂离子电池负极材料的实用化研究工作基本上围绕着如何提高质量比容量与体积比容量、首次充放电效率、循环性能及降低成本等这几个方面展开,大容量电池的应用，加大了对电池材料，尤其是高性能负极材料的需求9-10。在锂离子电池负极材料中，石墨类碳负极材料以其来源广泛，价格便宜，一直是负极材料的主要类型。但由于石墨本身结构特性的制约，石墨负极材料的发展也遇到了瓶颈，比如容量已达到极限，不能

12、满足一些大型动力电池所要求的持续大电流放电能力等，所以现在我们把目光聚集于研究高性能新型负极材料上，比如现在我们所研究的柠檬酸氧化铁箔做负极材料。 1.3 本实验研究的意义及内容 自从石墨负极材料的发展到了瓶颈之后，我们迫切的需要研究新型材料来从另外的方面来突破，自从知道了氧化温度和氧化时间可以优化铁材料的性能，我们就将目光聚集到研究铁箔是否作为可充电锂离子电池的负极材料，而什么样条件下制得的铁箔10-15用作电池负极材料性能较好。锂离子电池的负极材料，主要存在的问题是容量在充放电循环过程中发生严重衰减。铁箔通过电沉积法、氧化方法合成，也不可避免地发生了容量的衰减，容量保持率都还不理想。最近，

13、很多研究者通过控制条件来调控铁基合金箔的结构，容量保持率得到了明显地提高。 本文采用电沉积法、氧化制得铁基合金箔，通过电化学性能测试和充放电测试，研究了电极材料氧化温度、氧化时间等对化学性能的影响。主要研究参数： (1)相同时间不同氧化温度下（加柠檬酸和不加柠檬酸）对铁箔的电池充放电性能的影响以及其电循环性能分析。 (2)相同温度不同氧化时间对铁箔的电池充放电性能的影响以及其电循环性能分析。 2.实验部分 2.1 实验药品和仪器 2.1.1 实验药品 药品名称分子式生产厂家氯化亚铁FeCl2 4H2O （AR）天津市风船化学试剂科技有限公司无水氯化钙CaCl2 （AR）天津市风船化学试剂科技有

14、限公司硼酸H3BO3 （AR）天津市盛奥化学试剂科技有限公司柠檬酸H3Cit （AR）天津市风船化学试剂科技有限公司 2.1.2 实验仪器 仪器名称型号生产厂家恒温加热磁力搅拌器G-2型巩义市予华仪器有限公司直流电源APS3005s嘉怡电器有限公司电子天平AR224CN奥豪斯仪器（上海）有限公司马弗炉SXZ(2.5-10)云南科仪化玻有限公司LAND电池测试系统CT2001A武汉市金诺电子有限公司密封手套操作箱Super1220/750米开罗那（中国）有限公司纽扣电池切片机T06云南广深科技有限公司 2.2 实验流程 2.3实验过程 2.3.1电沉积法制铁箔 采用电沉积法制得的纯铁箔（厚度50

15、 m左右），电沉积以的35mm*80mm*1mm纯钛片为阴极，30mm*80mm*1mm的IrO2/Ti为阳极。电解液的配方为：电解液的配方为：FeCl24H2O 600g/L, CaCl2 111 g/L , H3BO3 15 g/L，pH在0.10.4，镀液pH用体积分数为50%的盐酸调节电沉积铁箔时，镀液温度为95105，电流密度为25A/dm2，电沉积时间为15min。 实验具体流程： 纯钛片 表面抛光 水洗 脱脂 水洗 电沉积铁 水洗 风干 2.3.2铁基合金箔的制备 将制好的铁箔切片制成直径16 mm的电极片圆片，放入干燥器中干燥。称取质量相近、已经干燥好的铁片，编好顺序放入坩埚中

16、，再称取1 g的柠檬酸，放入坩埚中。将坩埚放入马弗炉中进行氧化，设定好时间和温度，（实验一分别在300，400，500 下进行分组氧化，每组至少要6片铁箔进行氧化，加热时间为2h；实验二温度为300下，分别加热2h，4h，8h进行氧化，每组至少要6片铁箔进行氧化。）氧化结束后，冷却至室温取出样品，即得到铁箔。用洗耳球吹尽铁基合金箔反应碎末后称量并计算增重质量，选取增重质量相似铁箔，装电池的备用。 2.3.4电池的组装流程 电池的组装顺序及结构，如图1所示。将待制备好铁箔圆片作为工作电极，Celgard2320型聚丙烯酸微孔膜为隔膜，锂片作为参比和辅助电极，以1M LiPF6（ EC:DMC体积

17、比1:1）为电解液。组装电池前电池壳、泡沫镍和样品电极片在干燥箱中80 鼓风干燥12 h。在充满氩气（氧和水含量均在1ppm以内）的真空手套箱中依次按顺序组装成CR2025扣式半电池。室温下静置12 h后再进行电化学性能测试。 图1 纽扣式电池组装示意图 在室温下，锂离子电池的恒电流充放电测试在CT2001A型LAND电化学测试系统上进行，设定恒电电流为0.2 mA，扫描电压范围0.01-3.00 V（v.s. Li+/Li）。 2.3-5电池电性能测试的具体操作方法如下： 称取质量相近、已经干燥好的氧化铁箔，以金属锂片为负极，LiPF6/EC+DMC为电解液，Celgard 2320聚丙烯多

18、孔膜为隔膜，在真空手套箱中组装扣式电池。电池组装完毕，放置12 h后进行放电测试。在LAND电池测试系统上环境温度条件下，采用恒电流充放电进行测试，扫描电位范围0.1-3.0 V。 3.结果分析与讨论3.1 铁箔的SEM图和EDS图 图2为铁箔的SEM图和EDS图。由图可知，铁箔的微观结构由大量的多边形晶型组成的，晶粒均匀细致，组分纯度较高。而且EDS谱图中出现的都是铁元素的峰，未检测到其他元素的峰，说明电沉积法制备得到的铁箔纯度较高。 图2 铁箔的SEM和EDS 3.2 相同时间不同氧化温度下氧化铁箔作负极电池的充放电曲线分析及电循环性能分析 图3 (a)、(b)、(c)分别为加柠檬酸在30

19、0、400、500oC氧化铁箔的充放电曲线图 (d)、(e)、(f)分别为不加柠檬酸在300、400、500oC氧化铁箔的充放电曲线图 图4 (a)不同氧化温度加柠檬酸氧化铁箔放电容量图(b)不同氧化温度不加柠檬酸氧化铁箔放电容量图图3 (a)、(b)、(c)分别为加柠檬酸在300、400、500oC氧化铁箔的充放电曲线图，由图可知，其放电平台在都在1.0 V左右，在第一次循环和第二次循环之间容量衰减很快，这是因为第一次循环过程中，在电极表面形成了固态电解质膜（SEI膜）；与图3 (d)、(e)、(f)分别为不加柠檬酸在300、400、500oC氧化铁箔的对比，其电池的容量显著提高，在50次循

20、环后都只有0.5 mAh。图4 (a) 和 (b) 分别为不同氧化温度下加柠檬酸和不加柠檬酸氧化铁箔的放电容量图，由图可知，电池的容量大小与氧化温度有关，随着氧化温度的升高，电池的容量越高，且容量衰减加快，在相同温度下加柠檬酸后氧化得到的样品的容量要比不加柠檬酸的样品高的多。3.3不同氧化时间下氧化铁箔作电池负极的充放电曲线分析及电循环性能分析 （加柠檬酸） 图5 (a)、(b)、(c)为300不同时间氧化铁箔后充放电曲线图（d）300不同时间氧化铁箔后放电容量图图5 (a)、(b)、(c)为300不同时间氧化铁箔后充放电曲线图，由图可知，其放电平台在都在1.0 V左右，在第一次循环和第二次循

21、环之间容量衰减很快，这是因为第一次循环过程中，在电极表面形成了固态电解质膜（SEI膜）；随着氧化时间增长电容增大、电容衰减加快； 图5（d）为300不同时间氧化铁箔后放电容量图，在相同温度下不同加热时间对循环性的影响，经比较可得，加热8h衰减较快，随着氧化时间逐渐降低，其衰减随之较慢；而随着时间的逐渐降低，其电容量逐渐降低。 结论 通过将制备好的铁箔，在不同条件下氧化后作为负极装配的电池进行充放电曲线分析、电循环性能分析，可以得出以下结论： （1）在相同温度和时间下氧化加柠檬酸的比不加柠檬酸的电容明显增大，电容衰减变慢；在相同时间不同温度下氧化加柠檬酸或不加柠檬酸，随着温度的升高电容随之增加。

22、 （2）相同温度不同氧化时间加柠檬酸，随着氧化时间增长，电池的电容量逐渐增大，随着氧化时间减少，其衰减随之较慢； 参考文献 1 李荻主编. 电化学原理（第三版）M. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.2Suto S,M a tsunoK,Sano K,etal.Bending of am orphous alloysJ.JM aterials ProcessingTechnology,1992,33(3):215-227. 3Lalvani S B,M ondalK, Sathisuksanoh M.Characteriza-tion of N-iP and Fe-P by X-ray

23、absorption Spectroscopy J.JM aterials Science Letters,2001，20(12):1097-1098. 4CHEN X iao-y,iGUO Da-xia,LUO Jing-yuan. Corros ion behavior of amorphous Fe-Cr-P alloy plating foilsJ. A cta M eta llurgica Sin ica, Series B: Process M eta llurgy & M iscellaneous,1988, 1(2):158-161. 5赵奇金.电解法制取镍-铁合金箔工艺的回归

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26、tructure and mechanical properties of iron foil electrodeposited in super gravity field J. Surface & Coatings Technology, 2010, 204: 31353140. 致谢 时光匆匆，一去不复返，我们已经快要走到大四生活的尽头，能够走到这一步，离不开家人的关心，老师的悉心教导，同学和朋友的支持，在这要结束的日子里，我感慨良多。 首先我要感谢我的论文指导老师苏长伟老师。感谢他在忙碌的教学工作中挤出时间来帮我选题，之后帮我安排实验，最后来审查、修改我的论文。在这几个月以来，苏老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，苏老师，谢谢您！同样我也要感谢那些曾经教导过我的老师们，让我在大学的四年里收获良多，学到了很多的知识。 其次我要感谢跟我一起