尖晶石锰酸锂正极材料的合成及改性研究

论文摘要

尖晶石型锰酸锂（LiMn2O4）材料由于具有较高的放电平台、低廉的价格、对环境无污染和易合成等优点,成为当前非常具有发展潜力的正极材料之一。然而,尖晶石锰酸锂的电化学循环性能较差,尤其是高温（55℃）循环性能,严重阻碍了它的工业化进程。本论文采用低共熔锂盐为锂源,通过便于工业化的固相法制备纯尖晶石锰酸锂及其铝掺杂材料。通过X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安（CV）及充放电测试等测试技术,研究反应条件、离子掺杂量及表面包覆物的量对LiMn2O4 （?）吉构及其电化学性能的影响,并优化制备工艺。以LiOH-Li2CO3（?）（?）共熔锂盐体系为锂源,以MnO2为锰源,通过预焙烧和高温焙烧两段焙烧的高温固相法合成尖晶石LlMn2O4材料,研究合成条件对材料的结构、形貌及电化学性能的影响。结果表明,Li与Mn的最佳摩尔比为1.12：2,最佳预焙烧和高温焙烧温度分别为600℃和750℃。由最佳条件合成的LiMn2O4具有较高的容量和循环性能,0.2C的放电容量为133 mAh·g-1,30次循环后的容量保持率为87%。在固相法合成LiMn2O4材料的基础上,以Al2O3为铝源,合成LiA1xMn2-xPO4（x＝0.05,0.1,0.15）并研究铝掺杂量对材料的结构及电化学性能的影响。结果表明,铝的掺杂并不改变活性材料的尖晶石结构,活性材料的放电容量有一定程度的下降,但显著提高材料的循环性能,尤其是高温循环性能。其中,LiAl0.1Mn1.9O4在所有LiAlxMn2-xO4材料中具有最好的循环性能,室温下,其0.5C的首次放电容量为117 mAh·g-1,30次循环后容量仍维持106 mAh·g-1,容量保持率高达94%。而LiMn2O4正极材料0.5C的首次放电容量为123 mAh·g-1,30次循环后容量为106mAh·g-1,容量保持率为86%。55℃和0.2C测试条件下,LiAl0.1Mn1.9O4的放电容量为116 mAh·g-1,30次循环后的容量保持率为65%,而LiMn2O4材料30次循环后的容量仅为65 mAh·g-1,容量保持率约为50%。采用气相SiO2对固相法合成的LiMn2O4进行表面包覆改性,并研究SiO2的用量对材料的结构及电化学性能的影响。结果表明,SiO2的加入并没有改变材料的尖晶石结构,LiMn2O4包覆SiO2后容量略有下降,但循环性能得到一定程度的改善。其中,包覆4wt.%SiO2的LiMn2O4具有最好的电化学性能,其室温、0.2C的放电容量为130 mAh-g-1,30次循环后容量保持率高达95%,而55℃和0.2C条件下,30次循环后容量保持率为70%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的组成和工作原理
• 1.2.1 锂离子电池的组成
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料的研究进展
• 2正极材料'>1.3.1 LiCoO₂正极材料
• 2正极材料'>1.3.2 LiNiO₂正极材料
• 1.3.3 Li-Ni-Co-Mn-O体系正极材料
• 2正极材料'>1.3.4 LiMnO₂正极材料
• 4正极材料'>1.3.5 LiFePO₄正极材料
• 1.4 尖晶石型锰酸锂的研究进展
• 2O₄的结构及充放电机理'>1.4.1 尖晶石型LiMn₂O₄的结构及充放电机理
• 2O₄的制备方法'>1.4.2 尖晶石型LiMn₂O₄的制备方法
• 2O₄的改性研究'>1.4.3 尖晶石型LiMn₂O₄的改性研究
• 1.5 本课题研究的意义及内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 主要仪器和试剂
• 2.1.1 主要仪器和设备
• 2.1.2 主要实验试剂
• 2.2 模拟电池的制备
• 2.2.1 电极制备和预处理
• 2.2.2 电池组装
• 2.3 电极材料的性能表征
• 2.3.1 X射线衍射分析
• 2.3.2 形貌分析
• 2.3.3 热重分析
• 2.4 电极材料的电化学性能测试
• 2.4.1 扣式电池充放电测试
• 2.4.2 扣式电池循环伏安测试
• 2.4.3 扣式电池交流阻抗测试
• 2O₄及其电化学性能研究'>第3章 固相法合成尖晶石LiMn₂O₄及其电化学性能研究
• 3.1 引言
• 2O₄正极材料的制备'>3.2 LiMn₂O₄正极材料的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 反应物的TG分析
• 3.3.2 预焙烧温度的影响
• 3.3.3 焙烧温度的影响
• 3.3.4 不同过锂量的影响
• 2O₄材料的循环伏安测试'>3.3.5 LiMn₂O₄材料的循环伏安测试
• 3.4 本章小结
• xMn_2-xO₄的制备及性能研究'>第4章 LiAl_xMn_2-xO₄的制备及性能研究
• 4.1 引言
• xMn_2-xO₄电极材料的制备'>4.2 LiAl_xMn_2-xO₄电极材料的制备
• 4.3 结果与讨论
• xMn_2-xO₄电极材料的XRD分析'>4.3.1 LiAl_xMn_2-xO₄电极材料的XRD分析
• xMn_2-xO₄电极材料的SEM分析'>4.3.2 LiAl_xMn_2-xO₄电极材料的SEM分析
• xMn_2-xO₄电极材料的电化学性能分析'>4.3.3 LiAl_xMn_2-xO₄电极材料的电化学性能分析
• 4.4 本章小结
• 2包覆LiMn₂O₄的改性研究'>第5章 SiO₂包覆LiMn₂O₄的改性研究
• 5.1 引言
• 2包覆LiMn₂O₄的制备'>5.2 气相SiO₂包覆LiMn₂O₄的制备
• 5.3 结果与讨论
• 2O₄电极材料的XRD分析'>5.3.1 LiMn₂O₄电极材料的XRD分析
• 2O₄电极材料的SEM分析'>5.3.2 LiMn₂O₄电极材料的SEM分析
• 2O₄电极材料的电化学性能研究'>5.3.3 LiMn₂O₄电极材料的电化学性能研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文