MnO2、TiO2在锂离子电池中的应用研究

论文摘要

以电解二氧化锰（eleetrolytiemanganese, EMD）或化学二氧化锰（chemical manganese oxide, CMD）和Li2CO3为原料,采用高温固相法制备尖晶石型LiMn2O4粉末,并比较不同锰源合成的材料的电化学性能。通过XRD、SEM对样品进行分析,结果表明制备得到的锰酸锂均为完整的尖晶石结构。以不同倍率进行充放电测试,发现样品在低倍率下均具有较高的容量,在0.1 C下容量均在120 mAh·g-1以上,在高倍率下,由CMD制备的LiMn2O4则表现出更高的容量及良好的循环性能,1C下40次循环后容量保持率可达95%以上。循环伏安测试结果表明,由CMD制备的LiMn2O4电极具有较好的脱、嵌锂可逆性,且电极极化也相对较小。采用钠离子对LiMn2O4的锂位进行了体相掺杂的改性研究,并研究了钠离子的掺杂量对LiMn2O4材料物理及化学性能的影响。研究发现,掺杂少量的钠不会影响LiMn2O4的结构,钠离子在材料中起着“支柱”的作用。材料的电化学性能测试表明,随着掺杂量的增加,样品在低倍率下的放电比容量均有所下降。但在高倍率条件下,Li0.97Na0.03Mn2O4表现出比LiMn2O4更优异的电化学性能,具有更高的放电容量和更好的循环性能,在0.1 C,0.5 C,1C,2C和5C倍率下的初始放电容量分别为119.9,113.3,111.5,104和98.3mAh·g-1。采用阳极氧化法制备高度有序的TiO2纳米管阵列膜,分别在空气和氩气气氛下以450、600、800℃的温度煅烧,通过XRD、SEM.TEM对样品进行分析。发现氩气环境下更利于材料管状结构的保持,晶型更容易发生从锐钛矿到金红石的相转变。EDS测试表明在氩气环境下煅烧的材料中有碳的形成。电化学测试表明在氩气环境下煅烧后,材料的电化学性能较空气中煅烧的样品有所提高,表现出较高的放电容量及较好的循环性能。其中450℃条件下的材料性能最佳,在0.1 C条件下的首次放电容量达227.9 mAh·g-1,50次循环后的容量保持率为86.4%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的简介
• 1.2.1 锂离子电池的发展
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的组成
• 1.2.4 锂离子电池的特点
• 1.3 锂离子电池正极材料研究概况
• 1.3.1 锂离子电池对正极材料的要求
• 2正极材料'>1.3.2 LiCoO₂正极材料
• 2O₄正极材料'>1.3.3 LiMn₂O₄正极材料
• 4正极材料'>1.3.4 LiFePO₄正极材料
• 1.4 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.4.1 锂离子电池对负极材料的要求
• 1.4.2 碳负极材料
• 1.4.3 合金材料
• 1.4.4 纳米氧化物材料
• 1.4.5 其他负极材料
• 1.5 本论文的研究目的、内容和创新
• 1.5.1 本论文的研究目的
• 1.5.2 论文的研究内容
• 1.5.3 创新之处
• 2制备尖晶石型LiMn₂O₄正极材料的研究'>第二章 化学MnO₂制备尖晶石型LiMn₂O₄正极材料的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2O₄正极材料的制备'>2.2.3 LiMn₂O₄正极材料的制备
• 2.2.4 锂电池正极极片的制作及扣式电池的组装
• 2.2.5 样品的测试
• 2.2.6 电化学测试
• 2.3 结果和讨论
• 2原料的表征'>2.3.1 MnO₂原料的表征
• 2O₄产品的XRD表征'>2.3.3 LiMn₂O₄产品的XRD表征
• 2.4 本章小结
• 2中Na元素含量对LiMn₂O₄性能的影响'>第三章 MnO₂中Na元素含量对LiMn₂O₄性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 2O₄样品的制备'>3.2.3 Na掺杂LiMn₂O₄样品的制备
• 3.2.4 电极极片的制备
• 3.2.5 扣式电池的装配
• 3.2.6 样品的测试
• 3.2.7 电化学测试
• 3.3 结果和讨论
• 1-xNa_xMn₂O₄的物相和结构表征'>3.3.1 Li_1-xNa_xMn₂O₄的物相和结构表征
• 1-xNa_xMn₂O₄的电化学性能'>3.3.2 Li_1-xNa_xMn₂O₄的电化学性能
• 3.4 本章小结
• 2纳米管负极材料的电化学性能研究'>第四章 TiO₂纳米管负极材料的电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 2纳米管膜的制备'>4.2.3 TiO₂纳米管膜的制备
• 4.2.4 样品的测试
• 4.2.5 电化学测试
• 4.3 结果和讨论
• 2纳米管膜的物相和结构表征'>4.3.1 TiO₂纳米管膜的物相和结构表征
• 2纳米管膜的电化学性能'>4.3.2 TiO₂纳米管膜的电化学性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间主要研究成果