《功能材料综合实验》实验讲义 一、新能源材料实验 主要完成太阳能电池基本特性测试、锂离子电池电极材料性能测试、热电材料性能 测试3个实验，使学生对太阳能光伏材料、锂离子电池材料、热电材料等能源材料的基 本原理及性能表征有较为完整的认识，掌握能源材料相关的基本理论和实践技能。 实验1太阳能电池特性测定实验 一、实验目的 通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通 过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。 二、实验内容 太阳能电池基本特性的测量，如开路电压、短路电流和填充因子等。 三、实验原理 太阳能电池在没有光照时其特 性可视为一个二极管，在没有光照时 ⊙电子 导带卫c 其正向偏压U与通过电流I的关系式 为： 光子入， 能膝 I=L。(eu-l) (1) 空穴☐ ,价带Ey (1)式中，1。和B是常数。 图1电子和空穴在电场的作用下产生光电流 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E-E,的半导体构成，如图1所示。E为半 导体导电带，E为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收， 产生电子和空穴对。电子和空穴对会 Iph-Id R 分别受到二极管之内电场的影响而 产生光电流。 图2 太阳能
1 《功能材料综合实验》实验讲义 一、新能源材料实验 主要完成太阳能电池基本特性测试、锂离子电池电极材料性能测试、热电材料性能 测试 3 个实验，使学生对太阳能光伏材料、锂离子电池材料、热电材料等能源材料的基 本原理及性能表征有较为完整的认识，掌握能源材料相关的基本理论和实践技能。 实验 1 太阳能电池特性测定实验 一、实验目的 通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通 过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。 二、实验内容 太阳能电池基本特性的测量，如开路电压、短路电流和填充因子等。 三、实验原理 太阳能电池在没有光照时其特 性可视为一个二极管，在没有光照时 其正向偏压U与通过电流 I的关系式 为： I I (e 1) U o (1) (1)式中， o I 和 是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为 Ec-Ev的半导体构成，如图 1 所示。Ec为半 导体导电带，Ev为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收， 产生电子和空穴对。电子和空穴对会 分别受到二极管之内电场的影响而 产生光电流
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个 理想二极管、一个并联电阻R与一个电阻Rs所组成，如图2所示。 图2中，l为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，a为光照时通过太阳能电 池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： R,+U-(Ih-14-)Rh=0 (2) (2)式中，1为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由(1)式可得， )la-Rale 0*R U (3) 假定R=∞和R,=0,太阳能电池可简化为图3 I=Iph-Id 所示电路。 Ia 这里，I=Ib-l4=Ib-lo(e0-1)。 D U 在短路时，U=0,1ph=1x: 而在开路时，I=0,L.-Lo(euc-)=0: 图3太阳能电池的简化电路图 (4) (4)式即为在R=0和R。=0的情况下，太阳能电池的开路电压Uc和短路电流 Isc的关系式。其中Uoc为开路电压，Isc为短路电流，而L。、阝是常数。 四、实验仪器 太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表1只、电阻箱1只、 白炽灯光源1只（射灯结构，功率）、光功率计（带直流稳压电源）、导线若干、遮光 罩1个等 五、实验步骤 1.在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的~U特性， 用实验测得的正向偏压时~U关系数据，画出~U曲线并求得常数和0的值。 2.在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到 太阳能电池距离保持为20cm
2 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个 理想二极管、一个并联电阻 Rsh 与一个电阻 Rs 所组成，如图 2 所示。 图 2 中，Iph 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，Id 为光照时通过太阳能电 池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： IRs U (Iph Id I)Rsh 0 （2） （2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， d sh ph sh s I R U ) I R R I(1 （3） 假定 Rsh 和 Rs 0 ，太阳能电池可简化为图 3 所示电路。 这里， I I I I I (e 1) U ph d ph 0 。 在短路时， U 0， ph sc I I ； 而在开路时， I 0，I I (e 1) 0 Uoc sc 0 ； 1] I I ln[ 1 U 0 sc OC （4） （4）式即为在 RSh 和 RS 0 的情况下，太阳能电池的开路电压 UOC 和短路电流 SC I 的关系式。其中 UOC 为开路电压， SC I 为短路电流，而 0 I 、 是常数。 四、实验仪器 太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表 1 只、电阻箱 1 只、 白炽灯光源 1 只（射灯结构，功率 ）、光功率计（带 直流稳压电源）、导线若干、遮光 罩 1 个等。 五、实验步骤 1．在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的 I~U 特性， 用实验测得的正向偏压时 I~U 关系数据，画出 I~U 曲线并求得常数 和 I0 的值。 2．在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到 太阳能电池距离保持为 20cm
(1)画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出~U曲线图。 (3)用外推法求短路电流Isc和开路电压Uoc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻 (5)计算填充因子FF=Pm/(sc*Uoc)川。 3.测量太阳能电池的光照特性： 在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20℃m水平距离光强作为标准光照强度， 用光功率计测量该处的光照强度J0:改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量 X处的光照强度」，求光强」与位置X的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度0 不同值时，相应的1sc和Uoc的值。 (1)描绘1sc和相对光强度J小0之间的关系曲线，求1sc和与相对光强JJ0之间近 似关系函数。 (2)描绘出Uoc和相对光强度J小0之间的关系曲线，求Uoc与相对光强度J小0之 间近似函数关系。 六、思考题 1、光照强度对太阳能电池特性有何影响？ 2、特性参数中哪个更能反映电池的性能？
3 （1）画出测量实验线路图。 （2）测量太阳能电池在不同负载电阻下，I 对 U 变化关系，画出 I~U 曲线图。 （3）用外推法求短路电流 Isc 和开路电压 Uoc。 （4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 （5）计算填充因子[FF=Pm/(Isc*Uoc)]。 3．测量太阳能电池的光照特性： 在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源 20cm 水平距离光强作为标准光照强度， 用光功率计测量该处的光照强度 J0；改变太阳能电池到光源的距离 X，用光功率计测量 X 处的光照强度 J，求光强 J 与位置 X 的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度 J/J0 不同值时，相应的 Isc 和 Uoc 的值。 （1）描绘 Isc 和相对光强度 J/J0 之间的关系曲线，求 Isc 和与相对光强 J/J0 之间近 似关系函数。 （2）描绘出 Uoc 和相对光强度 J/J0 之间的关系曲线，求 Uoc 与相对光强度 J/J0 之 间近似函数关系。 六、思考题 1、光照强度对太阳能电池特性有何影响？ 2、特性参数中哪个更能反映电池的性能？
实验2锂离子电池正极材料的制备以及电化学表征实验 一、实验目的 1.通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。 2.通过测定磷酸铁锂的X邓D粉末衍射数据，掌握橄榄石型磷酸铁锂正极材料的结 构特征。 3。通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学表征方法。 二、实验内容 通过固相法合成磷酸铁锂正极材料，并制作成电极片，组装成纽扣电池测量其电化 学性能。 三、实验原理 锂离子电池充放电过程仅仅是通过正、负级材料的拓扑反应（如图1所示），即在 电池内部，充放电过程中电极材料仅发生锂离子的嵌入和脱出反应，并不产生新相，保 持自己原有的结构不变，当反应逆向进行时，又恢复原状，因此也称为“摇椅式电池”。 图10 以磷酸铁锂为例，充电时，L从正极材料中迁移出来，经过电解质进入负极，下2” 被氧化成为®”，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极。放电过程 进行还原反应，与上述过程相反，如下所示： 充电：LiFePO,-i-e→fePO,+(I-r)LiFeP0, 放电：fePO,+i+Xe一.iFePO.+(I-x/FePO, 1997年开始引人关注的磷酸铁锂材料，因其无毒、对环境友好、原材料来源丰富、 比容量高、循环性能好，被认为可能成为锂电池的理想材料，LiFePO,在自然界中以磷
4 实验 2 锂离子电池正极材料的制备以及电化学表征实验 一、实验目的 1. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备方法。 2. 通过测定磷酸铁锂的 XRD 粉末衍射数据，掌握橄榄石型磷酸铁锂正极材料的结 构特征。 3. 通过实验掌握锂离子电池正极材料磷酸铁锂的电化学表征方法。 二、实验内容 通过固相法合成磷酸铁锂正极材料，并制作成电极片，组装成纽扣电池测量其电化 学性能。 三、实验原理 锂离子电池充放电过程仅仅是通过正、负级材料的拓扑反应（如图 1 所示），即在 电池内部，充放电过程中电极材料仅发生锂离子的嵌入和脱出反应，并不产生新相，保 持自己原有的结构不变，当反应逆向进行时，又恢复原状，因此也称为“摇椅式电池”。 图 1 [1] 以磷酸铁锂为例，充电时，Li+从正极材料中迁移出来，经过电解质进入负极，Fe2+ 被氧化成为Fe3+，电子则经过相互接触的导电剂和集流体从外电路到达负极。放电过程 进行还原反应，与上述过程相反，如下所示： 充电：LiFePO4 - xLi+ - xe - → xFePO4 + (1-x)LiFePO4 放电：xFePO4 + xLi+ + xe - → xLiFePO4 + (1-x)FePO4 1997年开始引人关注的磷酸铁锂材料，因其无毒、对环境友好、原材料来源丰富、 比容量高、循环性能好，被认为可能成为锂电池的理想材料，LiFePO4 在自然界中以磷
铁锂矿的形式存在，通常与LiMnPO,伴生属橄榄石型结构。其空间群为Pmmb,每个晶胞 有4个LiFeP0(,单元。其晶胞参数为a=0.6008m,b=1.0324m和c=0.4694nm。图 2为LiFeP0(,的立体结构示意图。 Feo6层 图2 晶格中有3个非等价的0，整个晶体可以看成是变形八面体Li0,和Fe0,与四面体P0,相 互连接。1个八面体分别与1个P0四面体和2个Li0,八面体共用棱：2个P0,四面体还与2个 Li0八面体共用棱。交替排列的FeOs八面体、Li0s八面体与P0,四面体形成层状脚手架结 构。每个P0,四面体与一个Fe0八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个Li0八面体 共用棱上的氧原子。这种共用顶点及共用棱的结构便为锂离子的脱出和嵌入提供了理论 基础。从结构上看，PO,四面体位于Fe0层之间，这在一定程度上阻碍了Li的扩散运动。 同时，相邻的F0。八面体通过共顶点连接，具有相对较低的电子传导率。因此，这种结 构决定了LiFePO,只适合于在小电流密度下充放电。纯相的LiFeP0,理论比容量为 170mAh/g,实际比容量可到160mAh/g,这制约了其在工业上的应用，为了提高其电化学 性能，表面包覆导电材料和掺杂金属离子是改善材料电导率的主要方法，目前的研究主 要是碳（纳米碳膜）包覆和离子掺杂等手段，表面包覆一方面可增强粒子间的导电性， 减少电池的极化：另一方面它还能为LiFePO.4提供电子隧道，以补偿L广脱嵌过程中的电 荷平衡。掺杂金属离子是一种通过制造材料晶格缺陷从而有效地调节材料电化学性能的 途径，掺杂改性效果表明：一方面可以使材料的电子导电性得到明显地提高，同时由于
5 铁锂矿的形式存在，通常与LiMnPO4 伴生属橄榄石型结构。其空间群为Pnmb，每个晶胞 有4个LiFePO4单元。其晶胞参数为a = 0.6008 nm，b = 1.0324 nm和 c = 0.4694nm。图 2为LiFePO4的立体结构示意图。 图2 晶格中有3个非等价的O,整个晶体可以看成是变形八面体LiO6和FeO6与四面体PO4相 互连接。1个八面体分别与1个PO4四面体和2个LiO6八面体共用棱；2个PO4四面体还与2个 LiO6八面体共用棱。交替排列的FeO6八面体、LiO6八面体与PO4四面体形成层状脚手架结 构 。每个PO4四面体与一个FeO6八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个LiO6八面体 共用棱上的氧原子。这种共用顶点及共用棱的结构便为锂离子的脱出和嵌入提供了理论 基础。从结构上看，PO4四面体位于FeO6层之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩散运动。 同时，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接，具有相对较低的电子传导率。因此，这种结 构决定了LiFePO4只适合于在小电流密度下充放电。纯相的LiFePO4理论比容量为 170mAh/g，实际比容量可到160mAh/g，这制约了其在工业上的应用，为了提高其电化学 性能，表面包覆导电材料和掺杂金属离子是改善材料电导率的主要方法，目前的研究主 要是碳（纳米碳膜）包覆和离子掺杂等手段，表面包覆一方面可增强粒子间的导电性， 减少电池的极化；另一方面它还能为LiFePO4提供电子隧道，以补偿Li+脱嵌过程中的电 荷平衡。掺杂金属离子是一种通过制造材料晶格缺陷从而有效地调节材料电化学性能的 途径，掺杂改性效果表明：一方面可以使材料的电子导电性得到明显地提高，同时由于
金属离子掺入材料体相，故对材料的堆积密度并无影响。本实验通过用固相烧结法合成 碳包覆的LεPO4,通过XRD对其结构进行表征，并通过充放电和循环伏安的测试手段， 对其电化学性能进行表征。 四、实验方法 1.仪器及药品 仪器：各种玻璃器皿、压膜机、铝箔、电子天平、管式炉、球磨机、玛瑙研体、真 空烘干箱、辊压机、手套箱、电池封口机、电池测试系统、电化学站、电脑。其他仪器 见表1 药品：碳酸锂，草酸亚铁，磷酸二氢铵，乙炔黑，粘接剂PT℉E(聚四氟乙烯)、电 解液、N,N二甲基甲酰胺。 表1实验中所用的主要仪器 仪器名称 生产厂家 型号 电子分析天平 上海恒平科学仪器有限公司 FA1004 行星球磨机 南京大学仪器厂 QM-ISP04 电热真空干燥箱 上海实验仪器厂有限公司 ZKF035 手套箱 国 电动封口机 合即肥科品材料技术有阻公司 MT-160D 蓝电(LAN)电池测试系统 武汉蓝电电子有限公司 CT2001A 辰华电化学工作站 上海辰华仪器 CH1660B 2.实验方法及过程 1.LiFePO4的制备： 1)前驱体的制备 以Li,CO、FeC,O,2H0(分析纯)和NH,H.PO,(分析纯)为原料，按摩尔比 Li:Fe:P=1.05:1:1混合，并加入质量分数为10wt%(以最终合成的LiFeP0,的质量计算) 的葡萄糖，置于玛瑙球墨罐中以无水乙醇为介质高速球磨6h,转速为180r/min,球磨 结束后将得到的浆料放入烘箱干燥，之后在研钵中研磨5min左右。 2)LiFeP0(,的制备 将研磨好的前驱体置于管式炉中进行烧结，期间用氯气保护，在升温前先预通N2h 将石英管中的空气排除，之后以3℃/min的升温速率升至360度保温6h,然后继续升温 至700℃，保温12h,烧结结束后待炉温自然冷却至室温后将样品取出。圆
6 金属离子掺入材料体相，故对材料的堆积密度并无影响。本实验通过用固相烧结法合成 碳包覆的LiFePO4，通过XRD对其结构进行表征，并通过充放电和循环伏安的测试手段， 对其电化学性能进行表征。 四、实验方法 1. 仪器及药品 仪器：各种玻璃器皿、压膜机、铝箔、电子天平、管式炉、球磨机、玛瑙研钵、真 空烘干箱、辊压机、手套箱、电池封口机、电池测试系统、电化学站、电脑。其他仪器 见表 1 药品：碳酸锂，草酸亚铁，磷酸二氢铵，乙炔黑，粘接剂 PTFE（聚四氟乙烯）、电 解液、N,N-二甲基甲酰胺。 表 1 实验中所用的主要仪器 仪器名称 生产厂家 型号 电子分析天平 上海恒平科学仪器有限公司 FA1004 行星球磨机 南京大学仪器厂 QM-1SP04 电热真空干燥箱 上海实验仪器厂有限公司 ZKF035 手套箱 国产 电动封口机 合肥科晶材料技术有限公司 MT-160D 蓝电（LAN）电池测试系统 武汉蓝电电子有限公司 CT2001A 辰华电化学工作站 上海辰华仪器厂 CH1660B 2. 实验方法及过程 1. LiFePO4的制备： 1）前驱体的制备 以 Li2CO3 、 FeC2O4∙2H2O( 分 析 纯 ) 和 NH4H2PO4( 分 析 纯 ) 为 原 料 ， 按 摩 尔 比 Li:Fe:P=1.05:1:1 混合，并加入质量分数为 10wt%（以最终合成的 LiFePO4的质量计算） 的葡萄糖，置于玛瑙球墨罐中以无水乙醇为介质高速球磨 6h，转速为 180r/min，球磨 结束后将得到的浆料放入烘箱干燥，之后在研钵中研磨 5min 左右。 2）LiFePO4的制备 将研磨好的前驱体置于管式炉中进行烧结，期间用氮气保护，在升温前先预通 N22h 将石英管中的空气排除，之后以 3℃/min 的升温速率升至 360 度保温 6h，然后继续升温 至 700℃，保温 12h，烧结结束后待炉温自然冷却至室温后将样品取出。[3]
3)样品的粉末衍射(XD)数据测定和处理。 将少量合成的LiFePO,粉末置于有凹槽的玻璃片中，用载玻片将粉末压平（粉末高 度与凹槽深度一致)，随后放入X射线衍射仪中进行测试，测试角度范围为10-80度。 2.LiFePO4电化学性能的表征 1)极片的制作 按照活性材料（磷酸铁锂）：乙炔黑（导电添加剂）：PT℉E(粘结剂)=80：10： 10的比例称量，活性物质LiFeP0(40.08g,乙炔黑0.01g,TFE0.01g,放入玛瑙研钵中， 研磨5min后加入约10滴WP(N,N-二甲基甲酰胺)研磨约30min后，将得到的浆料涂 在铝箱上，随后放入烘箱于80℃烘烤24h。烘烤完毕后将电极片切成直径为8m的圆形 极片。 2)电化学性能的测试 以金属锂片为负极，隔膜为进口聚丙烯微孔膜(Celgard2300),电解液为LiP℉6 的EC:DMC:EMC=1:1:1(oo)溶液，浓度1.0mol/L,装成2032型扣式电池。 本实验采用的充放电设备为LAND电池测试系统CT2001A.电池的充放电测试是在室 温下（约25℃）完成的，充放电倍率均为0.1C,即按照磷酸铁锂的理论容量170mAh/g 计算，充放电电流为m×0.1×170(m4),充放电性能的测试按照表49-2的设定条件进行。 工作模式 结束条件 Go To 步骤时间≥ 静止 恒流充电 2min 恒流充电 0.1c 电压≥4.2V 恒压充电 步骤时间≥ 静止 恒流放电 2min 恒流放电 0.1C 电压≤2.5V 停止 循环法伏安法(CV)是使电极电池在一定范围内以恒定的变化速度来回循环扫描， 记下电流随电压的变化。采用这项技术，一方面能较快的观测到较宽的电势范围内发生 的电极过程，可以用来探测物质的电化学性能，测E,物质的氧化还原电位，考察电化 学反应的可逆性和反应机理，为电极过程研究提供丰富的信息：另一方面又能通过对扫
7 3）样品的粉末衍射（XRD）数据测定和处理。 将少量合成的 LiFePO4粉末置于有凹槽的玻璃片中，用载玻片将粉末压平（粉末高 度与凹槽深度一致），随后放入 X 射线衍射仪中进行测试，测试角度范围为 10-80 度。 2.LiFePO4电化学性能的表征 1）极片的制作 按照活性材料（磷酸铁锂）：乙炔黑（导电添加剂）：PTFE（粘结剂）= 80：10： 10 的比例称量，活性物质 LiFePO40.08g，乙炔黑 0.01g，PTFE 0.01g，放入玛瑙研钵中， 研磨 5min 后加入约 10 滴 NMP（N,N-二甲基甲酰胺）研磨约 30min 后，将得到的浆料涂 在铝箔上，随后放入烘箱于 80℃烘烤 24h。烘烤完毕后将电极片切成直径为 8mm 的圆形 极片。 2）电化学性能的测试 以金属锂片为负极，隔膜为进口聚丙烯微孔膜（Celgard 2300），电解液为 LiPF6 的 EC：DMC：EMC=1:1:1（ω/ω）溶液，浓度 1.0 mol/L，装成 2032 型扣式电池。 本实验采用的充放电设备为 LAND 电池测试系统 CT2001A。电池的充放电测试是在室 温下（约 25℃）完成的，充放电倍率均为 0.1C，即按照磷酸铁锂的理论容量 170mAh/g 计算，充放电电流为 m×0.1×170(mA)。充放电性能的测试按照表 49-2 的设定条件进行。 工作模式 结束条件 Go To 静止 步骤时间≥ 2min 恒流充电 恒流充电 0.1C 电压≥4.2 V 恒压充电 静止 步骤时间≥ 2min 恒流放电 恒流放电 0.1C 电压≤2.5V 停止 循环法伏安法（CV）是使电极电池在一定范围内以恒定的变化速度来回循环扫描， 记下电流随电压的变化。采用这项技术，一方面能较快的观测到较宽的电势范围内发生 的电极过程，可以用来探测物质的电化学性能，测 E，物质的氧化还原电位，考察电化 学反应的可逆性和反应机理，为电极过程研究提供丰富的信息；另一方面又能通过对扫
描曲线形状的分析，估计电极反应参数，如何用于反应速率的半定量分析。本文的循环 伏安测试采用两电极体系，金属锂片作为对电极和参比电极。设备：CH肛660C型电化学 工作站，扫描速度为0.1mV/s。 五、结果处理 l.将粉末衍射数据导入Jade软件，计算晶胞常数(a,b,c),确定样品所属晶系 和空间群，通过与标准图谱对比，确定是否合成了预期的样品，是否还有杂质。 2.将测得的CV曲线与文献中报道的进行对比，确定氧化还原峰的位置是否一致。 3.将测得的电池充放电曲线与文献中的进行对比，确定充放电平台是否一致。 六、思考题 1.在前驱体的分解步骤中可能的中间产物是什么？ 2.试写出从中间产品到预期化合物的反应方程式。 3.影响LiFePO0,正极材料电化学性能的因素有哪些？ 4.为什么电池封装过程要在手套箱中进行？ 5.试述锂离子电池的发展前景。 参考文献 [1]Tarascon,J.M.:Armand,M.,Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.Nature 2001,414(6861),359-367. [2李大光，赖桂棠，李军，李铁虎，黄巷民.固相与液相法制备磷酸铁锂的对比实验研究，化工 新型材料，2008.(36)
8 描曲线形状的分析，估计电极反应参数，如何用于反应速率的半定量分析。本文的循环 伏安测试采用两电极体系，金属锂片作为对电极和参比电极。设备：CHI660C 型电化学 工作站，扫描速度为 0.1mV/s。 五、结果处理 1. 将粉末衍射数据导入 Jade 软件，计算晶胞常数（a，b，c），确定样品所属晶系 和空间群，通过与标准图谱对比，确定是否合成了预期的样品，是否还有杂质。 2. 将测得的 CV 曲线与文献中报道的进行对比，确定氧化还原峰的位置是否一致。 3. 将测得的电池充放电曲线与文献中的进行对比，确定充放电平台是否一致。 六、思考题 1. 在前驱体的分解步骤中可能的中间产物是什么？ 2. 试写出从中间产品到预期化合物的反应方程式。 3. 影响 LiFePO4正极材料电化学性能的因素有哪些？ 4. 为什么电池封装过程要在手套箱中进行？ 5. 试述锂离子电池的发展前景。 参考文献 [1] Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367. [2] 李大光，赖桂棠，李军，李铁虎，黄慧民. 固相与液相法制备磷酸铁锂的对比实验研究，化工 新型材料，2008,（36）
二、半导体材料基本性能测试 主要完成半导体材料电阻率测试、半导体材料霍尔效应测试（霍尔系数、电阻率 载流子浓度、迁移率等)2个实验。通过实验使学生掌握半导体基本性能的测量原理及 其方法。 实验3霍尔效应实验 一、实验目的 1、了解半导体中霍尔效应的产生原理、霍尔系数计算公式的推导、测量过程中副 效应的产生和消除。 2、了解应用霍尔元件测量半导体材料霍尔系数、电阻率、载流子浓度和迁移率的 原理和方法。 二、实验原理 6 图1霍尔效应实验原理示意图a流子为电子(N型)b)找流子为空穴(P型) 1.霍尔效应 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当 带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向 上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场E:。如图1所示的半 导体试样，若在X方向通以电流1，，在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样AA'电 9
9 二、半导体材料基本性能测试 主要完成半导体材料电阻率测试、半导体材料霍尔效应测试（霍尔系数、电阻率、 载流子浓度、迁移率等）2 个实验。通过实验使学生掌握半导体基本性能的测量原理及 其方法。 实验 3 霍尔效应实验 一、实验目的 1、了解半导体中霍尔效应的产生原理、霍尔系数计算公式的推导、测量过程中副 效应的产生和消除。。 2、了解应用霍尔元件测量半导体材料霍尔系数、电阻率、载流子浓度和迁移率的 原理和方法。 二、实验原理 1．霍尔效应 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当 带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向 上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场 EH 。如图 1 所示的半 导体试样，若在 X 方向通以电流 S I ，在 Z 方向加磁场 B ，则在 Y 方向即试样 A-A / 电 图 1 霍尔效应实验原理示意图 a)载流子为电子（N 型） b）载流子为空穴（P 型） a S I EHA A' C C' FB FE e v FB FE e v A A' C C' S I EH b d l V mA X Y Z b ＋ －
极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类 型。对图1()所示的N型试样，霍尔电场逆Y方向，(b)的P型试样则沿Y方向。 即有 E,(Y)0→(P型 显然，霍尔电场E是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力E 与洛仑兹力下B相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故 eEn =evB (1) 其中E,为霍尔电场，？是载流子在电流方向上的平均漂移速度。 设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n,则 Is=neibd (2) 由(1)、(2)两式可得： =Eb号9 (3) 即霍尔电压VH(A、A'电极之间的电压)与l,B乘积成正比与试样厚度d成反比。 比例系数R:称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数.只要测出。 (伏)以及知道1，（安）、B(高斯)和d(厘米)可按下式计算R,(厘米3/库仑)： R=10 (4) 上式中的10是由于磁感应强度B用电磁单位（高斯）而其它各量均采用CGS实用单位 而引入。 2.霍尔系数R,与其它参数间的关系 根据R,可进一步确定以下参数： (1)由R的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按 图1所示的1，和B的方向，若测得的V1=V4<0,即点A点电位高于点的电位，则R4 为负，样品属N型：反之则为P型。 (2)由求载流子浓度即风。应该指出这个关系式是假定所有载流 子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入
10 极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类 型。对图 1（a）所示的 N 型试样，霍尔电场逆 Y 方向，（b）的 P 型试样则沿 Y 方向。 即有 ( ) 0 (P ) ( ) 0 (N ) 型 型 E Y E Y H H 显然，霍尔电场 EH 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力 H eE 与洛仑兹力 evB 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故 eEH evB （1） 其中 EH 为霍尔电场， v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。 设试样的宽为 b，厚度为 d，载流子浓度为 n ，则 I S nevbd (2) 由（1）、（2）两式可得： d I B R d I B ne V E b S H S H H 1 (3) 即霍尔电压 VH （A 、A ／电极之间的电压）与 I S B 乘积成正比与试样厚度 d 成反比。 比例系数 ne RH 1 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。只要测出 VH （伏）以及知道 S I （安）、 B （高斯）和 d （厘米）可按下式计算 RH （厘米 3／库仑）： RH＝ 8 10 I B V d S H （4） 上式中的 10 8 是由于磁感应强度 B 用电磁单位（高斯）而其它各量均采用 CGS 实用单位 而引入。 2．霍尔系数 RH 与其它参数间的关系 根据 RH 可进一步确定以下参数： （１）由 RH 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按 图 1 所示的 I S 和 B 的方向，若测得的 V V , H A' A 0 即点 A 点电位高于点 A' 的电位，则 RH 为负，样品属 N 型；反之则为 P 型。 （２）由 RH求载流子浓度 n。即 R e n H 1 。应该指出，这个关系式是假定所有载流 子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，如果考虑载流子的速度统计分布，需引入