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锂离子电池锰系高电压正极材料的制备与改性研究

作　者: 王清祥
导　师: 胡先罗
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料工程
关键词: 锂离子电池 正极材料 LiMn2O4 LiNi0.5Mn1.5O4 掺杂 C包覆
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


尖晶石结构的LiMn2O4具有资源丰富、无污染、安全性较好、易于工业化生产等优点，其电压可达3.8V，被认为是最有发展前景的锂离子电池正极材料之一。但其缺点也非常明显，主要表现为电化学稳定性较差，容量衰减较快，这主要由于在电化学循环中LiMn2O4的Mn3+的溶解造成的，因此如何提高LiMn2O4的结构稳定性成为该材料研究的重点。同样具有尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4是在LiMn2O4基础上发展起来的5V锂离子电池正极材料，具有实际比容量高、功率密度大、结构稳定、循环性能好等众多优势。但在实际使用过程中，LiNi0.5Mn1.5O4却表现出循环性能不佳，尤其是高温性能差的致命缺点，这主要是因为目前合成的LiNi0.5Mn1.5O4结构中均含有不同程度的Mn3+，Mn3+在循环过程中溶解于电解液中导致LiNi0.5Mn1.5O4结构发生畸变甚至崩坍。因此，如何合成Mn3+含量尽量低的LiNi0.5Mn1.5O4成为提高材料循环性能的关键。本文通过固相法合成了一系列LiCoyMn2-yO4（y=0,0.02,0.05,0.10,0.15），深入的研究了一烧温度T1、一烧时间t1、二烧温度T2、二烧时间t2及Co掺杂量y对LiCoyMn2-yO4比容量及循环性能的影响。研究表明：影响LiCoyMn2-yO4放电比容量的关键因素由主到次分别是T2、T1、 t1、t2及y值。在T1=450℃、t1=11h、T2=700℃、t2=12h、 y=0时，可合成具有相对最大放电比容量的LiMn2O4，首次放电比容量达到127mAh/g （0.2C）。而影响LiCoyMn2-yO4循环稳定性的关键因素由主到次分别是y值、T1、T2、 t1、t2。在T1=450℃、t1=11h、T2=700℃、t2=12h、y=0.05时，可合成具有最佳循环性能的LiCoyMn2-yO4，0.2C循环50次容量衰减为6%，而未掺杂的LiMn2O4容量衰减达到16%,其首次放电比容量（123mAh/g）未有明显衰减，而且倍率性能得到大幅度提高，同样，通过固相法制备了一系列的LiNi0.5Mn1.5O4。运用XRD、SEM、充放电测试等方法分析了退火温度及时间、热处理方式对LiNi0.5Mn1.5O4的结晶性、微观形貌和电化学性能的影响。在此基础上，研究了碳包覆对材料的影响。研究表明：一.采用退火温度为700，℃退火时间为36h，三次热处理方式时，LiNi0.5Mn1.5O4具有最佳的电化学性能，其首次放电比容（0.2C）为130mAh/g，1C倍率充放97次容量保持率为93%，且倍率性能也有显著提升；二.碳包覆可大幅提高材料的电化学性能。当碳包覆量为6%质量分数的蔗糖时，首次放电比容量为138.6mAh/g （0.2C），1C倍率充放97次容量损失率仅为14%，而未采用碳包覆的LiNi0.5Mn1.5O4首次放电比容量为138.6mAh/g，循环97次后的容量损失率达到45%。实验结果表明，表面改性和掺杂可显著提高LiMn2O4的电化学性能，而C包覆这种廉价的改性手段也为LiNi0.5Mn1.5O4的改性提供了一类简单而又实用的解决思路。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-26
  1.1 课题研究背景和意义  10-11
  1.2 锂离子电池概述  11-13
  1.3 锂离子电池正极材料  13-15
  1.4 LiMn_2O_4简介  15-20
  1.5 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4简介  20-24
  1.6 本文主要研究内容  24-26
2 实验药品、仪器及方法  26-30
  2.1 实验药品和仪器  26
  2.2 材料制备  26-27
  2.3 材料表征  27-28
  2.4 材料的电化学性能测试  28-30
3 LiMn_2O_4的制备、表征和电化学性能研究  30-42
  3.1 引言  30
  3.2 LiCo_yMn_(2-y)O_4最大放电比容量影响因素的确定  30-33
  3.3 LiCo_yMn_(2-y)O_4循环性能影响因素的确定  33-34
  3.4 Co 含量对 LiCo_yMn_(2-y)O_4性能的影响  34-35
  3.5 LiCo_yMn_(2-y)O_4的材料表征  35-38
  3.6 LiCo_yMn_(2-y)O_4的电化学性能表征  38-41
  3.7 本章小结  41-42
4 LiNi_(0.5 )Mn_(1.5)O_4的制备、表征和电化学性能研究  42-62
  4.1 引言  42
  4.2 不同退火温度对 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4性能的影响  42-49
  4.3 不同退火时间对 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4性能的影响  49-55
  4.4 不同退火方式对 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4性能的影响  55-60
  4.5 本章小结  60-62
5 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4/C 材料的制备、表征和电化学性能研究  62-70
  5.1 引言  62
  5.2 碳包覆处理温度的确定  62-63
  5.3 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4/C 复合材料的制备  63
  5.4 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4/C 复合材料的表征  63-64
  5.5 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4/C 复合材料的电化学性能  64-69
  5.6 本章小结  69-70
6 全文总结及展望  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-77

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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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