高电压锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备及改性研究

摘要

尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4最大的特点是具有高的充放电电压平台，高功率和低成本，被认为是最具应用潜力的动力锂离子电池正极材料之一。但由于材料本身具有制备困难、易被电解液溶解侵蚀等缺点，且在高电压下电解液易被氧化，导致了电池的循环性能较差，限制了LiNi0.5Mn1.5O4的实际应用。本文以提高LiNi0.5Mn1.5O4的循环性能为目标，采用溶胶凝胶自蔓延法制备了锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4及其掺杂改性样品，并对样品形貌、结构和电化学性能进行了系统的分析。
　　 首先，作者综述了几种锂离子电池正极材料的研究进展，并介绍了LiNi0.5Mnl.5O4正极材料的溶胶凝胶自蔓延法的制备条件研究，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对样品的形貌及物相进行了分析，结果显示在800℃空气氛围下煅烧12h，然后于600℃下退火处理10h得到的样品呈现均匀的颗粒并且无其它杂相物质。以其为正极材料组装实验电池，并对电池进行恒流充放电测试，结果表明，实验电池可同时具有较稳定的循环性能、较高的中值电压和较高的放电效率。
　　 其次，作者根据常见电解质及溶剂的物理化学性质进行初步选择，配制出了几种较具潜力的电解液。通过电导率和电化学窗口的测试优选出了0.7mol/L双草酸硼酸锂(LiBOB)-碳酸丙烯酯(PC)/碳酸二甲酯(DMC)这一最适合作为SV高电压电池的电解液体系。将优选电解液体系与传统的1.0mol/LLiPF6-碳酸乙烯酯(EC)/DMC电解液分别组装实验LiNi0.5Mn1.5O4/Li实验电池，并对二者电化学性能进行对比，结果显示，使用0.7mol/LLiBOB-PC/DMC电解液的实验电池具有更好的循环性能、更高的中值电压和更高的放电效率。
　　 再次，作者介绍了LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的掺杂改性研究，研究了稀土元素掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4正极材料电化学性能的影响。研究结果表明，掺杂适量的La可明显改善了LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的电化学性能，即LiNi0.45La0.1Mn1.45O4/Li实验电池表现出了更长的循环寿命、更高的中值电压及更高的效率等。
　　 最后，作者对本论文的创新和不足之处进行了总结并对未来的研究工作提出了展望。