锂离子电池层状锂镍锰氧化物的合成及其电化学性能研究

摘要

本文在论述了锂离子电池发展概况及研究现状和对锂离子电池正极材料的选择原则的基础上，对目前普遍看好的Li-Mn-O系正极材料的性能及研究现状进行了详细论述。先论述了尖晶石型LiMn2O4材料的晶体结构和改性研究进展，并指出了该材料发展的瓶颈，着重分析了Li-Mn-O系另一种层状LiMnO2材料的结构特点、合成方法等研究进展，并重点对该层状Li-Mn-O系材料的衍生物－层状Ni-Mn系（LiNi0.5Mn0.5O2）及Ni-Mn-Co系（LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2）材料的充放电机理及电化学性能进行了详细说明，分析了层状LiNi0.5Mn0.5O2和LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2材料的容量衰减原因，对其合成、性能、体相掺杂及电极极片的制备工艺进行了较为系统的研究，并提出了改进措施，特别是材料的体相掺杂是目前研究的热点和有效途径。 对比研究了采用不同合成方法对层状LiNi0.5Mn0.5O2材料性能的影响，筛选出了以氢氧化物为前驱体的共沉淀法为合成LiNi0.5Mn0.5O2的较优的合成方法。在上述共沉淀工艺条件下，对合成条件进行了优化，得到最佳工艺条件为以LiOH为锂源，Li/M配比为1.10。该材料组装模拟电池后初始放电比容量达152.2mAh/g(2.6～4.4V、0.1C)，电化学性能优良。利用该工艺制备了层状结构的掺杂型LiNi1-x/2Mn1-x/2 ZrxO2材料，当x=0.02时，其首次充放电比容量为167.1/145.0mAh/g，充放电效率为86.4％，首次充放电效率得以提高，但比容量随掺杂Zr量的增加而降低，放电平台明显降低，活化较困难，材料的循环性能不理想。进一步的循环伏安及交流阻抗测试表明掺杂使得材料的动力学参数－交换电流密度降低，电极可逆性降低，电化学性能下降。 采用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2，通过一系列实验确定合成该材料的最佳合成温度为850℃，组装模拟电池后其首次放电容量为153.7 mAh/g(2.8～4.4V、0.1C)，首次充放电效率达79.6%，电化学性能较好。优化后的Li:M＝1.05:1时，材料的电化学性能优良，首次充放电容量及首次充放电效率均有提高，首次充放电容量达157.2mAh/g(2.8～4.4V、0.1C)，首次充放电效率达82％，该条件下循环性能亦有提高。选用了Zr元素对层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2材料进行掺杂改性，30次循环的充放电效率均达96%以上，表现出较好的循环稳定性，但是与未掺杂样品相比，不可逆容量损失有所增大。 采用正交试验方法对层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2电极极片的制备工艺进行了优化，不同的成型压力，不同的导电剂，不同的导电剂配比作为的三个影响因素中，导电剂种类对层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2电极极片的电化学性能影响较大，其次为成型压力。通过对单个因素的具体分析发现，确定了最佳正极极片制备工艺为：选用SP为导电剂，8MPa成型压力，活性物质：导电剂：粘结剂的配比选用75：15：10。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 试验部分

第三章 锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2的合成及电化学性能研究

第四章 锂离子电池正极材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的合成及电化学性能研究

第五章 锂离子电池层状LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的电池工艺研究

结论与展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录