纳米LiMn2O4的制备与铝掺杂改性研究

摘要

锂离子电池在便携式移动设备等领域已获得广泛应用，但为满足高功率的市场需求还需开展进一步研究。倍率性能是评价功率型锂离子电池正极材料的一个重要指标。商业化的锰酸锂材料多为微米级别，其相对较大的颗粒不利于锂离子的脱嵌，从而导致材料倍率性能变差。将锰酸锂材料进行纳米化处理可缩短锂离子在整个迁移过程的路径，改善材料倍率性能。因此，颗粒的纳米化是改善锰酸锂材料倍率性能的一种有效途径。然而，纳米颗粒与电解液较大的接触面积易加速锰溶解，导致电池容量衰减，使用寿命缩短。所以，需要对纳米级锰酸锂材料进行持续改性处理，以稳定材料晶格结构，增强材料循环稳定性，达到延长电池寿命的目的。
　　本论文主要进行以下两方面的研究：第一，分别使用溶胶凝胶法和固相法合成两种不同纳米尺寸锰酸锂产品。研究发现，溶胶法制备的纳米锰酸锂（SG-LMO）表现出优异的电化学性能，在25℃下5C倍率时，其放电容量为85.5mAh g-1，为0.5C倍率时容量的71.7%。固相法制备的纳米锰酸锂（SS-LMO）在5C倍率时的容量为72.8mAh g-1，容量保持率仅为0.5C倍率时的62.6%。SG-LMO的优异电化学性能主要由以下几点决定：（1）晶格内较低的金属原子混乱度和较小的I(111)/I(311)强度比值，增强了晶格结构稳定性，降低了姜泰勒扭曲和电解液侵蚀反应；（2）较小的纳米颗粒尺寸，缩短了锂离子的迁移路径；（3）较小的电极极化电势有利于锂离子的脱嵌。第二，基于SG-LMO较为优异的电化学性能，本研究采用液相掺铝的方法进一步提升其循环稳定性。通过调节掺杂铝的含量合成LiAlxMn2-xO4（x=0.00，0.05，0.10，0.15），并对其进行测试。结果表明，在x=0.10时LiAl0.1Mn1.9O4产品的电化学性能最优。25℃时，0.5C倍率200次循环后，LiAl0.1Mn1.9O4的容量保持率为96.5%，比纯相LiMn2O4高出10.9%。在45℃时，0.5C倍率100次循环后，LiAl0.1Mn1.9O4的容量保持率为93.3%，比纯相LiMn2O4高出5%。LiAl0.1Mn1.9O4的优异电化学性能是因为Al掺杂LiMn2O4后晶体结构中新生成的Al-O键比Mn-O键稳定，能有效抑制锰溶解和姜泰勒扭曲，从而增强材料结构稳定性。本文中合成的高性能纳米级掺铝锰酸锂可用作高功率型锂离子电池正极材料，为加快电池充放电速率和延长电池使用寿命提供了可能。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的结构和工作原理

1.3 锂离子电池正极材料的研究进展

1.4 尖晶石LiMn2O4正极材料

1.5 本课题的研究内容及意义

第2章 实验药品仪器和方法

2.1 实验药品和仪器设备

2.2 材料表征手段

2.3 正极片的制备及半电池的组装

第3章 纳米锰酸锂的制备及电化学性能研究

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 铝掺杂纳米锰酸锂的合成及电化学性能研究

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

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