锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2的制备与电化学性能研究

论文摘要

层状的LiNi0.5Mn0.5O2是一种新型的锂离子电池正极材料。此材料相对于现在商业化的正极材料LiCoO2,排除了有毒性且资源比较匮乏的Co元素,具有环境友好,价格低廉,热稳定性好,理论容量高,易于合成等优点。自从2001年T Ohzuku课题组提出以来就受到广泛的关注和研究。但是,层状材料的LiNi0.5Mn0.5O2晶体结构中存在的一定比例的Li/Ni混排对材料的电化学性能造成了负面的影响,同时此材料也未能避免正极材料中普遍的问题,例如电导率差,倍率性能不能满足要求等缺点,本文主要针对这些缺点进行研究和改善。不同的合成方法会造成材料微观晶体结构的差异。而微观结构的细微差别都会对材料的电化学性能造成影响,使材料的电化学性能显示出的差异。本文主要针对材料的合成条件和材料的形貌修饰做了以下两方面的工作：（1）研究固相法合成材料时,合成条件对材料的电化学性能的影响,寻求最佳的合成条件。在本文中,主要对合成所用的烧结温度和烧结气氛进行了研究,并用X射线衍射分析技术（XRD）,扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,电化学阻抗测试（EIS）对材料的物理化学特性进行表征,同时对材料进行充放电循环测试材料的电化学性能。研究表明层状材料LiNi0.5Mn0.5O2中Li/Ni混排对材料的电化学性能有直接的影响。本文用Rietveld精修拟合的方法对材料的XRD数据进行分析,计算得出材料晶体结构中的Li/Ni混排率。结果表明：空气条件下,烧结温度为800℃时合成的材料具有最好的电化学性能,首次放电容量达到164mAh/g,充放电50圈后为137 mAh·g-1,容量保持率为83.3%,材料晶体结构中Li/Ni混排率为8.5‰进一步研究烧结气氛对材料的电化学性能影响。固定烧结温度为800℃,分别在氧气和空气不同烧结气氛合成样品。氧气气氛下合成出的样品电化学性能优于空气气氛下得到样品的电化学性能。氧气烧结气氛下合成出的材料首次放电容量达到178 mAh·g-1,充放电循环50圈后容量为165mAh·g-1,容量保持率为92.7%,材料晶体结构中Li/Ni混排率为7.3%（2）正极材料较差的电导率是影响材料倍率性能的主要因素。通过表面包覆电导性好的物质和控制材料的微观形貌是提高材料倍率特性的常用的方法。本文用溶胶凝胶法对材料的微观形貌进行控制,合成了具有大孔状微观结构的材料。这种结构会能增加电解液对活性材料的接触面积,由此缩短锂离子在材料中的迁移的路径以达到提高材料的倍率特性的目的。实验结果表明,具有大孔状微观结构的LiNi0.5Mn0.5O2电化学性能优于传统固相法合成的颗粒状的LiNi0.5Mn0.5O2。首次放电容量达到174 mAh·g-1,材料中Li/Ni混排率为7.7%,明显优于固相法空气气氛下900℃合成的颗粒状的LiNi0.5Mn0.5O2首次放电容量达到144 mAhg-1,材料晶体结构中Li/Ni混排率为9.8%

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 研究背景
• 1.1 锂离子电池的研究进展
• 1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子正极材料研究进展
• 1.4 本文的研究目的,方法和研究内容
• 第二章 实验仪器和方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 固相法
• 2.3.2 溶胶凝胶法
• 2.4 材料的物理特性表征
• 2.4.1 X射线衍射分析法[34]
• 2.4.2 Rietveld全谱拟合[34]
• 2.4.3 扫描电子显微镜技术（Scanning Electron Microscopy,SEM）[34]
• 2.4.4 透射电子显微镜技术（Transmission Electron Microscope,TEM）[34]
• 2.4.5 氮气吸脱附实验[34]
• 2.5 电化学表征手段
• 2.5.1 扣式电池的组装
• 2.5.2 交流阻抗测试（AC Impendence）
• 2.5.3 充放电测试
• 0.5Mn_0.5O₂合成温度的研究'>第三章 固相法制备LiNi_0.5Mn_0.5O₂合成温度的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 0.5Mn_0.5O₂材料的合成'>3.2.1 LiNi_0.5Mn_0.5O₂材料的合成
• 3.2.2 电极极片的制备
• 3.2.3 样品的物理特性表征
• 3.2.4 电化学表征
• 3.3 结果与讨论
• 0.5Mn_0.5O₂材料形貌表征'>3.3.1 LiNi_0.5Mn_0.5O₂材料形貌表征
• 0.5Mn_0.5O₂材料结构表征'>3.3.2 LiNi_0.5Mn_0.5O₂材料结构表征
• 0.5Mn_0.5O₂材料电化学性能表征'>3.3.3 LiNi_0.5Mn_0.5O₂材料电化学性能表征
• 3.4 本章小结
• 0.5Mn_0.5O₂合成气氛的研究'>第四章 固相法制备LiNi_0.5Mn_0.5O₂合成气氛的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 0.5Mn_0.5O₂制备'>4.2.1 LiNi_0.5Mn_0.5O₂制备
• 4.2.2 材料表征与测试
• 4.2.3 电化学测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 材料结构与形貌表征
• 4.3.2 电化学性能测试与分析
• 4.3.3 晶体中Li/Ni混排率与电化学性能的关系
• 4.3.4 电化学阻抗测试结果分析
• 4.4 本章小结
• 0.5Mn_0.5O₂倍率特性的研究'>第五章 溶胶凝胶法制备大孔结构LiNi_0.5Mn_0.5O₂倍率特性的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 0.5Mn_0.5O₂材料的制备'>5.2.1 LiNi_0.5Mn_0.5O₂材料的制备
• 5.2.2 表征
• 5.2.3 电化学测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 结构表征
• 5.3.2 材料形貌表征
• 5.3.3 电化学表征
• 5.3.4 锂离子扩散系数计算
• 5.4 小结
• 第六章 总结
• 第七章 参考文献
• 第八章 研究生阶段发表的文章
• 第九章 研究生阶段获得的奖励
• 第十章 致谢