锂离子电池正极材料尖晶石型锰酸锂的合成及性能研究

摘要

尖晶石型LiMn2O4材料与其他正极材料相比，具有原料资源丰富、可靠的安全性、较低的价格等优点，逐渐成为目前最具有市场发展潜力的正极材料之一。但同时存在容量衰减快、循环性能差等缺点，制约其发展，这也是目前需要解决的问题。本文将针对这问题以尖晶石型LiMn2O4材料为研究对象进行考察。通过高温固相法和高分子网络凝胶法合成尖晶石型LiMn2O4材料，在制备工艺方面对材料进行性能改善，最后还对材料进行了改性研究。通过XRD、SEM、TEM、TG-DTA等材料表征方法分析，采用恒电流充放电测试、循环伏安等各种电化学性能测试。
　　首先研究了球磨、煅烧温度、烧结时间对高温固相法合成的LiMn2O4材料的物理与电化学性能的影响。结果表明:经过球磨处理、煅烧温度为800℃、烧结16小时为最佳工艺条件。合成出的LiMn2O4材料样品在0.1C、0.3C、0.5C、1C、5C倍率下的库伦效率都在90％以上。在不同倍率循环放电情况下，表现出了较好的倍率性能。500次循环之后的容量保持率在3C、5C倍率下分别为70.3％和58.7％，容量衰减率比较大，循环性能还有待进一步通过制备工艺与材料改性等方法来进行改善。
　　然后分别研究了单体与交联剂的不同比例、引发剂用量对高分子网络凝胶法制备LiMn2O4材料的晶体结构和电化学性能的影响。通过各项实验数据表明:当AM∶MBAM=6∶1、引发剂用量为2％时，为最佳制备工艺条件。其制备出的纳米级LiMn2O4材料具备很好的循环性能和倍率性能。在0.3C和1C两个倍率下循环50次后，容量衰减率均在8％以下。相比于高温固相法，高分子网络凝胶法合成出的锰酸锂材料其电化学性能得到了一定程度的提高。但此种方法还受到诸多因素的影响，比如PH值、聚合温度等，所以要优化合成条件合成出更加优良的材料还需进一步的工作。
　　最后通过与高分子网络凝胶法相结合，以醋酸铝为铝源，合成了铝掺杂的LiMn2-xAlxO4材料。研究了不同的铝掺杂量对LiMn2-xAlxO4材料的物理和电化学性能的影响。结果表明:Al3+的掺杂并不会影响LiMn2O4的晶体结构。当x=0.02时，LiMn1.98Al0.02O4材料在的各项电化学性能为最佳，循环性能通过掺杂得到了改善。结果也说明掺杂与高分子网络凝胶法两者结合在一起，制备出的锰酸锂材料电化学性能得到了大大提高。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池的发展概述

1．2 锂离子电池的组成、工作原理和特点

1．2．1 锂离子电池的组成

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．2．3 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池正极材料的研究进展

1．3．1 LiCoO2

1．3．2 LiNiO2

1．3．3 LiFePO4

1．3．4 尖晶石型LiMn2O4

1．4 尖晶石型LiMn2O4的合成方法

1．5 本课题的研究内容和创新点

1．5．1 本课题的主要研究内容

1．5．2 本课题的创新点

第二章 实验部分

2．1 实验仪器设备与试剂

2．1．1 实验所用仪器设备

2．1．2 实验所用主要材料和试剂

2．2 尖晶石锰酸锂的合成

2．3 电池的制作

2．3．1 电极的制备

2．3．2 组装2032扣式电池的工艺流程

2．4 材料结构与性能的表征

2．4．1 样品的表征

2．4．2 材料电化学性能的测试

第三章 高温固相法合成尖晶石LiMn2O4及其电化学性能

3．1 球磨对高温固相法合成尖晶石LiMn2O4的影响

3．1．1 对LiMn2O4晶体结构的影响

3．1．2 对LiMn2O4晶体形貌的影响

3．2 煅烧温度对高温固相法合成LiMn2O4的影响

3．2．1 对LiMn2O4晶体结构的影响

3．2．2 对LiMn2O4微观形貌的影响

3．2．3 对LiMn2O4首次充放电性能的影响

3．2．4 对LiMn2O4循环性能的影响

3．3 烧结时间对高温固相法合成LiMn2O4电化学性能的影响

3．3．1 对LiMn2O4首次放电性能的影响

3．3．2 对LiMn2O4循环性能的影响

3．4 对优化条件下合成的LiMn2O4的电化学性能研究

3．4．2 LiMn2O4的倍率性能

3．4．1 LiMn2O4的首次放电性能

3．4．2 LiMn2O4的倍率性能

3．4．3 LiMn2O4的循环性能

3．4．4 LiMn2O4的循环伏安测试

本章小结

第四章 高分子网络凝胶法合成尖晶石LiMn2O4及其电化学性能

4．1 单体与交联剂比例对LiMn2O4结构与性能的影响

4．1．1 凝胶前驱体的热重分析(TG-DTA)

4．1．2 对LiMn2O4晶体结构的影响

4．1．3 对LiMn2O4微观形貌的影响

4．1．4 对LiMn2O4首次充放电性能的影响

4．1．5 对LiMn2O4循环性能的影响

4．2 引发剂用量对LiMn2O4电化学性能的影响

4．2．1 对LiMn2O4首次充放电性能的影响

4．2．2 对LiMn2O4循环性能的影响

4．3 对优化条件下合成的LiMn2O4样品的性能研究

4．3．1 LiMn2O4样品的TEM测试

4．3．2 LiMn2O4样品的循环伏安测试

4．3．3 LiMn2O4样品的倍率性能

4．3．4 LiMn2O4样品的循环性能

本章小结

第五章 高分子网络凝胶法合成A1掺杂的LiMn2-XAlxO4及其电化学性能

5．1 Al掺杂量对LiMn2O4晶体结构的影响

5．2 Al掺杂量对LiMn2O4首次充放电性能的影响

5．3 Al掺杂量对LiMn2O4循环性能的影响

5．4 LiMn2-xAlxO4交流阻抗的测试

本章小结

结论

参考文献

攻读学位论文期间发表的论文和专利

声明

致谢