共沉淀法制备特殊形貌的高电压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4

摘要

经过多年的发展，锂离子电池因具有能量密度大、储能时间长、无记忆效应和环境友好等优势成为当今应用最为广泛的储能设备。但随着社会的进一步发展，电动汽车对锂离子电池的功率性能提出了更高的要求。一些大型设备供电系统急需一些高功率、高能量密度的锂离子电池。正极材料是决定锂离子电池电化学性能的关键因素。因此急需寻找一种适合高功率设备工作的正极材料。尖晶石正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的电压平台为4.7V，满足高功率的要求。然而目前市场上LiNi0.5Mn1.5O4多为纳米级别，容易遭到电解液的侵蚀，引起容量衰减。另外，材料制备过程中的煅烧温度会影响材料晶型生长，进而影响材料的电化学性能。研究发现，纳微球形和中空纳微结构的LiNi0.5Mn1.5O4具有稳定的球形结构，减少了电极与电解液接触，改善了材料的电化学性能。本文采用共沉淀方法成功制备出纳微结构的LiNi0.5Mn1.5O4材料，并探究了焙烧温度对电池电化学性能的影响，并优化出沉淀剂的最佳配比，实现了壁厚可调的中空纳微结构LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备。
　　研究表明，共沉淀方法简便易行，所制材料颗粒分布均匀，易制得球形结构，更易制备出纳微结构的材料。本文结合共沉淀方法，探究了三个焙烧温度对正极材料LiNi0.5Mn1.5O4形貌及电化学性能的影响。通过对比发现，LNMO800具有规整的球形形貌、较优异的倍率性能，这归因于共沉淀方法和合适的焙烧温度。制备的LiNi0.5Mn1.5O4正极材料LNMO800形成了纳微结构，具有有序的P4332空间群以及良好的结构稳定性。
　　同时沉淀剂的选择和配比对材料的形貌也有一定的影响。本文研究了沉淀剂中NaOH的含量对材料形貌及电化学性能的影响。通过改变NaOH和Na2CO3的摩尔比制备出壁厚可调的中空结构LiNi0.5Mn1.5O4。分析发现，当沉淀剂中Na2CO3和NaOH的摩尔比小于8时，材料在焙烧过程中容易发生团聚。随着NaOH加入量的增加，中空结构LiNi0.5Mn1.5O4的壁厚变薄，表面孔隙变大。这是由于球形前驱体颗粒尺寸变小，有效缩短了内外原子的自由程，促进了柯肯德尔效应的发生。电化学测试发现，当沉淀剂中Na2CO3和NaOH的摩尔比为10:1时(LNMO-C)，表现出最佳的电化学性能。LNMO-C在0.2C下放电比容量为120mAh g-1，当倍率增加至6C时的放电比容量为倍率为0.2C时的81.42%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的基本原理

1.3 锂离子电池正极材料研究概况

1.4 LiNi0.5Mn1.5O4的制备方法：

1.5 镍锰酸锂的改性

1.6 论文主要研究内容及意义

第2章 实验方法

2.1 实验药品及仪器设备

2.2 材料表征手段

2.3 正极片的制备与电池组装

2.4 电化学性能测试

第3章 共沉淀方法制备纳微球形LiNi0.5Mn1.5O4

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 柯肯达尔效应辅助制备中空球形LiNi0.5Mn1.5O4

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文