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尖晶石型锰酸锂的合成与性能研究

作　者: 郭利萍
导　师: 杨书廷；尹艳红
学　校: 河南师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 尖晶石型锰酸锂 甘氨酸-活性棉燃烧法 高分子网络凝胶辅以微波法 电化学性能 交流阻抗
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


尖晶石型锰酸锂材料因其价格低廉、安全性好、高电压等特点,受到人们高度关注,成为锂离子二次电池最有开发潜力的正极材料之一,尤其是近年来,能源缺乏使得锰酸锂材料成为重要的动力能源材料。大量的研究表明,尖晶石锰酸锂的电化学性能受材料合成方法及材料微观形貌、晶体结构等因素影响,本论文主要从控制材料形貌和改性处理两方面研究锂离子电池正极材料LiMn2O4来优化锰酸锂的综合性能。采用甘氨酸-活性棉燃烧法合成纯相锰酸锂,考察了煅烧温度和煅烧时间对材料的微观形貌、晶体结构和电性能的影响。结果表明:烧结温度、烧结时间和研磨对晶体结构、微观形貌和电化学性能有显著影响。在750℃下保温12h的材料性能良好,用模拟电池测试电性能首次放电容量112.9 mAh/g,30次循环后,容量保持在90 mAh/g。材料表征显示,该条件下,整体形貌呈现网状结构,颗粒大小均一,材料结构为纯相的尖晶石结构。本论文采用掺杂阳离子的方法来进一步改善材料性能。通过掺杂不同量的Cr离子,找到最佳掺杂量,材料为改变尖晶石型结构,晶胞参数比为掺杂态材料更小,说明掺杂有效地抑制了Jahn-Teller效应,改善了材料的循环稳定性能。当掺杂量为x=0.08时,合成材料LiMn2-xCrxO4,材料具有较细小的颗粒和完美的尖晶石结构。采用高分子网络凝胶辅以微波法合成尖晶石锰酸锂,用微波把前驱体凝胶加热到合适的状态,再进行分段高温煅烧,发现800℃保温6h,材料性能最佳。研究中发现,煅烧温度和单体浓度是对材料性能的主要影响因素。另外,分散剂的用量、引发剂的加入顺序也都会影响最终的材料性能。SEM分析,锰酸锂呈现中空的无数个大小均已,排列紧密的小颗粒组成的大球,球直径在3-5微米不等。XRD结构分析,在此条件下生成无其它杂质的纯相锰酸锂,晶体发育完全,晶胞无缺陷。电化学性能显示此条件下首次放电比容量为129.5 mAh/g,50次循环后容量保持在103 mAh/g,平均每次循环衰减为0.529 mAh/g,衰减率为4.08%。。交流阻抗测试表明此时材料内阻较小。针对尖晶石锰酸锂的容量衰减问题,本论文采用同样的方法掺杂Cr离子,发现掺杂后的材料首次放电容量降低,但循环稳定性大大提高,首次放电容量为94.4mAh/g,38次以后容量为85.8mAh/g,平均每次循环衰减为0.232 mAh/g,衰减率为2.46%。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章 绪论  10-26
  1.1 锂离子电池发展简史  10-11
  1.2 锂离子电池正极材料研究现状  11-23
    1.2.1 层状结构正极材料LiM0_2  11-14
    1.2.2 橄榄石结构正极材料LiFeP0_4  14-15
    1.2.3 尖晶石型正极材料LiMn_20_4  15-23
  1.3 选题意义和研究目的  23-24
  1.4 本论文的主要创新点  24-25
  1.5 实验中所用主要测试仪器  25-26
第二章 燃烧法合成尖晶石型LiMn_20_4  26-34
  2.1 引言  26
  2.2 实验部分  26-33
    2.2.1 实验方法  26-27
    2.2.2 结果与讨论  27-33
  2.3 小结  33-34
第三章 燃烧法掺杂金属阳离子后LiMn_(2-x)M_x0_4的性能研究  34-40
  3.1 引言  34
  3.2 实验部分  34-38
    3.2.1 实验方法  34-35
    3.2.2 结果与讨论  35-38
  3.3 小结  38-40
第四章 高分子网络法合成尖晶石锰酸锂的工艺条件研究  40-50
  4.1 引言  40
  4.2 实验部分  40-48
    4.2.1 实验方法  40-41
    4.2.2 结果与讨论  41-48
  4.3 小结  48-50
第五章 高分子网络法不同加热方式对材料性能的影响  50-58
  5.1 引言  50
  5.2 实验部分  50-57
    5.2.1 实验方法  50-51
    5.2.2 结果与讨论  51-57
  5.3 小结  57-58
第六章 高分子网络法合成掺杂材料  58-62
  6.1 引言  58
  6.2 实验部分  58-61
    6.2.1 实验方法  58
    6.2.2 结果与讨论  58-61
  6.3 小结  61-62
第七章 结论  62-64
参考文献  64-70
致谢  70-71
攻读硕士学位期间的科研成果  71-72

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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