《化学工程与工艺(电化学工程)专业》课程设计教学指导书.doc

桂林理工大学化学工程与工艺（电化学工程）专业课程设计专业课程设计指导书一、设计选题（1）软包装聚合物锂离子电池生产工艺设计（2）XXX电镀工艺设计（3）XXX电极材料制备工艺设计（4）18650型锂离子电池设计（5）XXX(化工产品)开发实验设计（6）XXX研究进展说明：可根据自己的兴趣或毕业论文内容自由选题。二、课程设计目的：（1）通过对专业产品或制造工艺系统调研，较深入地了解相关专业知识及原理；（2）掌握利用电化学工程及化学化工专业知识和技能分析问题和解决问题的能力；（3）掌握计算机辅助设计、数据处理、编辑、排版等基本技能；（4）提高正确地撰写项目设计书或研究论文的基本能力。三、课程设计内容和要求：模板一：工艺设计类（1）项目意义及概况；（2）工艺（技术）设计（方案选择或可行性分析、工艺过程、工艺设计说明、公用工程、三废处理措施、安全管理措施）；（3）工艺计算（物料衡算、能量衡算、（设备选型）、设备及仪表列表）；（4）成本核算（资金筹措、人员配备、效益分析）；（5）实施计划；（6）总结；（7）参考文献，不少于6篇；（8）致谢。说明：整体上要求系统、完整，基本具有可行性。字数在8000字以上。模板二：文献综述（1） 摘要（2） 背景、意义；（3） 国内外研究或技术现状；（4） 结论；（5） 参考文献，不少于20篇。说明：文献调研要充分，能反映技术现状和发展趋势，并提出自己的见解。字数在5000字以上。四、需要具备的能力：（1）专业课程知识；（2）中外文专业文献；（3）计算机常用文字、数据、图形处理软件；（4）独立，精研，追求完美的态度。五、时间安排：（1）第15周：安排设计任务、文献调研、撰写初稿。说明：周一，实习任务安排，并进行文献检索指导。周三，学习委员把所有同学的设计题目汇总后发给指导老师，指导教师进行审阅并提出相应的整改意见。（2）第16周：设计书或论文撰写。说明：周一进行课程设计集中答疑；周五进行课程设计中期检查，学习委员把所有同学的课程设计初稿电子版收集好后发给指导老师，指导教师进行审阅并提出相应的修改意见。（3）第17周：完善设计书，提交。说明：周一进行课程设计集中答疑；周五提交专业课程设计纸质材料。学委把所有同学的专业课程设计论文纸质版收齐后上交指导老师。其他情况说明及注意事项：实习期间每天至少有一位老师会在雁山指导、监督实习进程。同学有疑问时，可随时找老师讨论解决。课程设计过程中，根据实际情况，我们会穿插一些与课程设计直接相关的专题培训、集中辅导答疑与问题反馈等教学环节，具体时间地点另行通知，请大家随时做好准备。课程设计期间学生不得私自离校！如果私自离校，一经发现课程成绩直接记为不合格。课程设计内容绝对不允许copy、抄袭。如果发现有大段的抄袭内容，该课程直接记为不合格。参考文献中1/3以上必须是最近三年的成果。2014-09-01课程设计撰写及排版规范（范例）题目：锂钛氧嵌锂负极材料的研究进展作者：杨建文1,2,3 ，颜 波1， 叶 璟1 ，李 雪1单位：(1 桂林理工大学化学与生物工程学院，广西 桂林 541004)(2 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 541004) (3 广西高校应用电化学新技术重点实验室，广西 桂林 541004)摘 要: 目前锂离子电池主要受制于安全性能、大功率性能和制造成本，新型高性能锂钛氧基负极材料有望克服这些问题，在动力型和储能型锂离子电池中获得应用。本文对Li4Ti5O12及LiTi2O4、Li2Ti3O7和Li2Ti6O13等其它几种锂钛氧嵌锂化合物的晶体结构、电化学性能、制备方法、化学改性、应用研究等方面的重要成果进行了较全面的阐述，并指出了未来研究发展方向。关键词: 锂钛氧嵌锂化合物；负极材料；锂离子电池；进展中图法分类号：TM911；TM910.4 文献标识码： A 文章编号：1002-185X(2013)0?-0?-0?Research Progress on the Intercalation Anode Materials of Lithium Titanate Oxides Yang Jianwen1,2,3, Yan Bo1, Ye Jing1, Li Xue1(1.College of Chemistry and Bioengineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)(2.Key Laboratories of Building New Energy and Energy Saving of Guangxi, Guilin 541004, China)(3.Key Laboratories of University on New Technology of Application Electrochemical in Guangxi, Guilin 541004, China) Abstract: At present, the lithium-ion battery is mainly limited by safety, high-power performance and cost. These problems are expected to solve by using new high-performance anode material of lithium titanate oxides. Based on the recent research progress, several representative lithium-titanium-oxygen species lithium intercalation compounds such as Li4Ti5O12, LiTi2O4, Li2Ti3O7, and Li2Ti6O13 are selected to review. The important achievement of their crystal structures, electrochemical properties, preparation methods, chemical modifications and application researches are comprehensive elaborated in this paper. Finally, the direction of future research and development for such anode materials are pointed out.Key words: Lithium titanate oxides; Anode material; Lithium ion batteries; Progress锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率小、结构紧凑、环境友好等优点，极大地推动了便携式电子产品市场的成长，其在动力电源和可再生能源存储领域的应用已成为未来发展的焦点13。目前，商业锂离子电池采用的碳素负极材料大功率性能较差，且存在严重的安全隐患，是制约锂离子电池发展的一个关键因素。因此，研究人员正在积极研发新型替代材料。在众多非碳系负极材料中，Li4Ti5O12脱嵌锂电位高，充放电过程中不易析出金属锂，不易生成SEI膜，使得安全性能大大提高；脱嵌锂过程中晶格参数几乎不发生变化，循环性能非常稳定；纳米及改性Li4Ti5O12具有优良的大电流和低温充放电性能。因而，Li4Ti5O12及其它锂钛氧类嵌锂化合物已成为锂离子电池研究热点。本文主要对Li4Ti5O12、LiTi2O4、Li2Ti3O7、Li2Ti6O13等锂钛氧化合物的晶体结构、电化学性能、制备方法、化学改进及其应用等的最新研究成果进行了综述。1 Li4Ti5O12Li4Ti5O12为尖晶石结构(空间群为Fdm)，O2-居于32 e位构成面心立方点阵，部分Li+居于四面体8a位，剩余的Li+和Ti4+以15 的比例随机分布于八面体16d位，其结构可写成Li48aLiTi516dO1232e。该结构中具有可供锂离子快速迁移的三维离子通道，Li+沿着8a-16c-8a或8a-16c-48f-16d路径迁移4，最多嵌入3mol Li+，生成岩盐结构Li716cLiTi516dO1232e，理论比容量约175 mAh/g。嵌锂过程中晶胞参数从8.3595 变化为8.3538 ，晶胞体积变化率仅0.2%5，因而被称为“零应变”电极材料。嵌锂反应在1.55 V（vs. Li/Li+）左右为两相过程，比容量的80%以上集中在电位平台区域，有利于电池稳定地输出能量和进行安全管理。2 LiTi2O4 LiTi2O4具有尖晶石和斜方锰矿两种同质异形体，前者在温度低于875时稳定，后者在温度高于925时稳定。在尖晶石结构中，O2-居于32 e位构成面心立方点阵，Ti4+和Ti3+占据16d位，Li+占据16c 位和8a位；在斜方锰矿结构中，O2-、Ti4+和Ti3+分布与尖晶石结构相似，但Li+分布位置目前存在不同的研究结果28。(a) (b) 图1. 不同晶体结构LiTi2O4的电压组成曲线，(a)尖晶石结构35；(b)斜方锰矿结构32尖晶石结构LiTi2O4电化学嵌锂时，Li+迁移路径与Li4Ti5O12类似，其晶格常数由0.8405 nm减小为0.8380nm36，据此估算其晶胞体积变化小于0.9%；斜方锰矿结构LiTi2O4嵌锂时，结构发生一定程度的扭曲，其晶胞体积膨胀约0.9% 28。可见，LiTi2O4嵌锂时体积效应较小，也是一种循环性能较好的电极材料。LiTi2O4室温下粉末电导率为5.56102 S cm-1，Li+扩散系数为2.810-5cm2s-137，两者均远高于Li4Ti5O12，其快速嵌脱锂性能良好。因此，LiTi2O4比Li4Ti5O12更适合大电流使用。3 Li2Ti3O7尖晶石结构LiTi2O4电化学嵌锂时，Li+迁移路径与Li4Ti5O12类似，其晶格常数由0.8405 nm减小为0.8380nm36，据此估算其晶胞体积变化小于0.9%；斜方锰矿结构LiTi2O4嵌锂时，结构发生一定程度的扭曲，其晶胞体积膨胀约0.9% 28。可见，LiTi2O4嵌锂时体积效应较小，也是一种循环性能较好的电极材料。LiTi2O4室温下粉末电导率为5.56102 S cm-1，Li+扩散系数为2.810-5cm2s-137，两者均远高于Li4Ti5O12，其快速嵌脱锂性能良好。因此，LiTi2O4比Li4Ti5O12更适合大电流使用。4 Li2Ti6O13尖晶石结构LiTi2O4电化学嵌锂时，Li+迁移路径与Li4Ti5O12类似，其晶格常数由0.8405 nm减小为0.8380nm36，据此估算其晶胞体积变化小于0.9%；斜方锰矿结构LiTi2O4嵌锂时，结构发生一定程度的扭曲，其晶胞体积膨胀约0.9% 28。可见，LiTi2O4嵌锂时体积效应较小，也是一种循环性能较好的电极材料。LiTi2O4室温下粉末电导率为5.56102 S cm-1，Li+扩散系数为2.810-5cm2s-137，两者均远高于Li4Ti5O12，其快速嵌脱锂性能良好。因此，LiTi2O4比Li4Ti5O12更适合大电流使用。5 应用研究进展 尖晶石结构LiTi2O4电化学嵌锂时，Li+迁移路径与Li4Ti5O12类似，其晶格常数由0.8405 nm减小为0.8380nm36，据此估算其晶胞体积变化小于0.9%；斜方锰矿结构LiTi2O4嵌锂时，结构发生一定程度的扭曲，其晶胞体积膨胀约0.9% 28。可见，LiTi2O4嵌锂时体积效应较小，也是一种循环性能较好的电极材料。LiTi2O4室温下粉末电导率为5.56102 S cm-1，Li+扩散系数为2.810-5cm2s-137，两者均远高于Li4Ti5O12，其快速嵌脱锂性能良好。因此，LiTi2O4比Li4Ti5O12更适合大电流使用。6 结论锂钛氧嵌锂化合物作为一类安全、大功率、长寿命型锂离子电池负极替代材料，在比容量、电导率、化合物种类及其它性能方面已被广泛研究。其中，Li4Ti5O12在纳米化制备方法和表面改性方面取得了许多标志性的研究成果，已开始进入实用化阶段，今后在降低生产成本，消除电池析气效应，及电池组整装应用系统开发方面需要重点研究；LiTi2O4电导率、大电流性能好，但其纯相产物较难制备，如果此问题得到解决，将有望获得实际应用；Li2Ti3O7、Li2Ti6O13等其他锂钛氧化合物在电导率、理论比容量等方面存在一定优势，但是在可逆比容量、循环性能和制备方法的简易性等方面无法与Li4Ti5O12相比拟，今后需开展大量工作。总之，通过科研工作者的不懈努力，原料丰富、安全、稳定、大电流性能好、成本较低的锂钛氧化合物负极材料定会脱颖而出，真正推动动力型和储能型锂离子电池的产业化。参考文献 References 1 Manthiram A. J. Phys. Chem. Lett.J, 2011, 2(3): 1762 Bruce P G, Scrosati B, Tarascon J M. Angew. Chem. Int. Ed.J, 2008, 47(16): 2930 3 Yang Jianwen(杨建文). Thesis for the Doctorate of Central South University(中南大学博士论文) D. 2005. 4 Yang Jianwen(杨建文), Zhao Jiang(赵 江), Chen Yongzhen(陈永珍) , et al. Chemistry (化学通报) J, 2008, 71(12): 918.6