学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn_2O_4高温性能失效机制及其改进

作　者: 赵家昌
导　师: 黄可龙
学　校: 中南大学
专　业: 应用化学
关键词: LiMn2O4 高温失效机制掺杂包覆电极过程动力学
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 233次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本文系统地研究了锂离子电池正极材料LiMn₂O₄在高温性能的失效机制以及解决高温容量衰减的方法。高温下由于电解液的分解产生微量HF，对正极材料LiMn₂O₄产生侵蚀作用导致Mn溶解而导致一部分容量损失。在放电期间由于Jahn-Teller效应导致LiMn₂O₄的结构不可逆地由立方相变为四方相而导致不可逆容量损失。采用不同锂锰源组合用熔盐浸渍法制备了四个纯相尖晶石LiMn₂O₄。基于最小二乘法用自行编制的精修程序计算了样品的晶格常数。结果表明，四个样品均为缺锂尖晶石，其比表面积、晶格常数以及电化学性能存在一定的差异。以LiOH·H₂O+EMD为原料制备的样品在高温下具有最佳的贮藏和循环性能。采用Cr和阴离子A为掺杂元素，首次制备了LiCr_xMn_2-xO_4-yA_y复合氧化物。掺Cr后晶格常数减小，掺A后晶格常数比掺Cr的大。建立了LiCr_xMn_2-xO_4-yA_y的离子分布式，计算了样品的理论容量，结果表明掺阴离子后样品的理论容量比掺Cr的高。掺Cr后稳定了尖晶石的晶体结构，使得电解液中溶解的Mn量减小，从而改善了电极材料高温下的循环性能。掺阴离子后由于形成的Mn-A键比Mn-O键强，进一步稳定了晶体结构，改善了高温性能。掺Cr还可以改善材料的大电流充放电性能。对Li／LiCr_0.1Mn_1.9O₄电池而言，在高温下以1C的充放电速率可以得到最佳的循环性能。Li／LiMn₂O₄电池的容量微分曲线表明在充放电过程中电池的充电电压升高，放电电压下降，极化增大，由于极化的增加使得充电不足而导致一部分容量损失。进行了尖晶石LiMn₂O₄的表面改性，制备了LiCoO₂-包覆LiMn₂O₄和MgO-包覆LiMn₂O₄。SEM测试结果表明两种方法均在LiMn₂O₄表面上包覆了一层无机阻隔物。由于LiCoO₂的高温性能较好而改善了LiMn₂O₄的高温性能。MgO-包覆LiMn₂O₄首次充放电由于极化的存在故容量较小，但是从第二次循环后变大并开始稳定。循环性能得到改善。对Li／LiMn₂O₄电池进行了电极过程动力学研究，结果表明在高温下载流子的运动速度升高而导致电解液的电导上升，电阻下降，因此在高温下电池的工作电压得到提高。极化曲线分析表明高温下电化学中南大学硕士研究生毕业论文摘要反应速度得到提高。用计时电量法测定了Li‘的固相扩散系数。室温和高温下铿离子扩散系数分别为1.43 xlo一气mZ/s和4.38 X10一，‘cmZ/s。表明高温下铿离子在LIMnZO;晶格中的扩散更快。

全文目录

第一章概述  9-25
  1.1 前言  9-10
  1.2 锂离子电池工作原理  10
  1.3 锂离子电池正极材料  10-13
    1.3.1 高温固相反应法  11
    1.3.2 低温制备技术  11-13
  1.4 锂离子电池负极材料  13-15
    1.4.1 碳材料  13-15
    1.4.2 非碳负极材料  15
  1.5 纳米科学技术在锂离子电池中的新进展  15-18
    1.5.1 纳米正极材料  16-17
    1.5.2 纳米负极材料  17-18
  1.6 聚合物锂离子电池  18-19
  1.7 LiMn_2O_4薄膜电极  19-23
    1.7.1 LiMn_2O_4薄膜电极的构造  19-20
    1.7.2 LiMn_2O_4薄膜电极的制备方法  20-23
  1.8 本研究的内容及意义  23-25
第二章实验方法  25-31
  2.1 制备实验  25-26
    2.1.1 尖晶石型LiMn_2O_4制备工艺流程  25
    2.1.2 主要原料  25-26
  2.2 分析与测试  26-31
    2.2.1 元素分析  26-27
    2.2.2 X射线衍射分析  27
    2.2.3 比表面积测试  27
    2.2.4 充放电性能测试  27-28
    2.2.5 其它测试方法  28
    2.2.6 最小二乘法计算LiMn_2O_4的晶格常数  28-31
第三章尖晶石型LiMn_2O_4高温失效机制研究  31-40
  3.1 高温下电解液中HF的产生及其对LiMn_2O_4的侵蚀  31-34
  3.2 Jahn-Teller效应  34-36
  3.3 Li／LiMn_2O_4电池在高温下循环中充放电曲线的变化  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章尖晶石型LiCr_xMn_(2-x)O_(4-y)A_y结构及高温性能研究  40-59
  4.1 常见的锂锰源  40-41
  4.2 LiMn_2O_4的制备及其高温性能研究  41-58
    4.2.1 流程简述  41
    4.2.2 反应过程分析  41-42
    4.2.3 实验结果与讨论  42-46
      4.2.3.1 元素分析结果  42
      4.2.3.2 样品表征  42-43
      4.2.3.3 电化学性能测试结果  43-45
      4.2.3.4 高温循环伏安分析  45-46
    4.2.4 LiCr_xMn_(2-x)O_4高温性能研究  46-58
      4.2.4.1 掺杂元素的选择  46-47
      4.2.4.2 掺Cr对LiMn_2O_4结构的影响  47-48
      4.2.4.3 掺Cr对LiMn_2O_4电化学性能的影响  48-54
      4.2.4.4 掺A对LiMn_2O_4结构和电化学性能的影响  54-55
      4.2.4.5 LiCr_xMn_(2-x)O_(4-y)A_y离子分布式的建立及容量的计算  55-57
      4.2.4.6 粒度测试结果  57-58
  4.3 本章小结  58-59
第五章表面包覆法改善尖晶石LiMn_2O_4的高温性能  59-65
  5.1 表面包覆LiCoO_2  59-61
    5.1.1 制备实验  59
    5.1.2 实验结果与讨论  59-61
  5.2 表面包覆MgO  61-64
    5.2.1 制备实验  61-62
    5.2.2 实验结果与讨论  62-64
  5.3 本章小结  64-65
第六章 Li／LiMn_2O_4电池电极过程动力学研究  65-70
  6.1 Li／LiMn_2O_4电池电极过程分析  65-66
  6.2 工作电压与液相传质动力学的关系  66-67
  6.3 Li／LiMn_2O_4电池的极化曲线  67-68
  6.4 锂离子扩散系数与温度的关系  68-70
结论  70-72
附录1  72-73
附录2  73-74
参考文献  74-81
致谢  81

相似论文

钛酸盐光催化剂的制备及光催化分解水性能,O643.36
稀土元素掺杂Ca₃Co₄O₉与Ag复合材料的制备及热电性能,TQ174.1
静电纺丝法制备TiO₂及其光催化行为的研究,O614.411
钛酸钡基NTC热敏陶瓷电阻的制备与研究,TQ174.1
掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算,O643.36
Bi、N共掺杂TiO₂的制备及性能的研究,O614.411
功能化纳米二氧化钛多孔材料的制备、表征及性能研究,TB383.1
有序多孔TiO₂薄膜的制备及其性能研究,TB383.2
一维纳米TiO₂的制备及染料废水脱色研究,TB383.1
锂离子电池电极材料黑磷与LiMn₂O₄的第一性原理研究,TM912
锂离子层状正极材料LiMO₂（M=Co，Ni，Mn）的第一性原理的研究,TM912
铁、镧掺杂纳米TiO₂的制备及光催化性能研究,O614.411
石墨烯制备及其缺陷研究,O613.71
基片参数对微带带通滤波器传输特性影响研究,TN713.5
多维电荷传输基团修饰铱配合物的设计、合成及光电特性,O627.8
ZnO掺杂效应的第一性原理研究,O614.241
Tm和Dy掺杂的YSZ涂层制备与发光性能研究,TG174.442
TiO₂光催化剂的掺杂改性及应用,O643.36
低温快烧结晶釉的制备与性能,TQ174.65
纳米多孔玻璃基复合发光材料的研究,TB383.1
磁控溅射制备氮化铜薄膜及其掺杂研究,O484.1