微波加热制备锰酸锂及其电化学性能研究

摘要

锂离子电池因为其具备优异的性能，在近年来得到了迅速的发展。锂离子电池正极材料LiMn2O4属于立方晶系呈尖晶石结构，理论比容量:148mAhg-i，实际容量可达:110～130mAhg-1，循环寿命≥500次。由于LiMn2O4具有稳定性好、无毒环保、价格低以及可大电流快速充放电等特点，是目前研究最多、开发力度最大、最具应用前景的电极材料之一。但它存在的问题是:实际电池容量不高，且循环使用过程中容量快速衰减，尤其是高温电化学循环性能及充放电性能尚待改善。通过金属离子的掺杂，可以改变LiMn2O4材料的晶体结构和导电性，提高它的循环容量。微波法是一种新型高效材料的合成方法，通过热处理过程中的微波辐射，可有效缩短反应时间，减少能源消耗;同时，研究表明，采用微波烧结可改善材料的均匀性，提升材料的电化学性能。基于此，在锰酸锂正极材料研究中，通过将掺杂改性和微波热处理方法相结合，有望实现该材料性能的提升，为新型锂离子电池的开发作出贡献。
　　 本文采用微波加热和传统加热两种热处理方法制得纯相LiMn2O4正极材料。系统研究两种热处理方式对产物的形貌、结构及电化学性能的影响。同时，通过掺杂成功制备出了尖晶石型结构的LiNixMn2-xO4(X=0.1～0.6)及LiA(l)xMn2-xO4(X=0.1～0.3)，研究了掺杂浓度、Li过量摩尔比及热处理温度等对材料结构的影响，并对其物理性能和电化学性能进行了研究。
　　 研究结果表明:
　　 (1)微波法制备的样品物理性能和电化学性能都优于传统热处理法制备的样品。在微波热处理温度为750℃、锂过量10％的条件下，制备出纯相LiMn2O4正极材料，其颗粒微细、粒径均匀，具有尖晶石型晶体结构。于0.1C倍率下，以微波法制备的LiMn2O4正极材料首次放电比容量可达112.38mA·h/g，1C倍率充放电50次循环后，容量损失率为91.6％。
　　 (2)掺杂Ni后的样品首次放电比容量有所下降，但LiNi0.5Mn1.5O4的样品循环性能得到提高。在微波热处理温度为750℃，15min的条件下，制备出的LiNixMn2-xO4样品具有尖晶石型晶体结构。随着Ni掺杂量的增加，晶格参数减小，晶胞体积减小。于0.1C倍率下，LiNi0.5Mn1.5O4的首次放电比容量可达106.19mA·h/g，略低于LiMn2O4，1C倍率充放电50次循环后，容量保持率为92.1％，高于LiMn2O4的91.6％。容量保持率较高，且有4.7V的高电压平台，比较适合作高电位锂离子电池正极材料。
　　 (3)掺杂Al后的样品首次放电比容量有所下降，但是LiAl0.2Mn1.8O4的样品循环性能得到提高。在微波热处理温度为750℃，15min的条件下，制备出的LiAl0.2Mn1.8O4样品于0.1C倍率下首次放电比容量可达110.89mA·h/g，略低于LiMn2O4，1C倍率充放电50次循环后，容量保持率较高为92.4％，比较适合作锂离子电池正极材料。

目录

声明

摘要

前言

1 文献综述

1．1 锂离子电池简介

1．1．1 锂离子电池的发展简史

1．1．2 锂离子电池的结构与组成

1．1．3 锂离子电池工作的原理及特性

1．2 锂离子电池正极材料概述

1．2．1 锂离子电池正极材料的特性

1．2．2 层状Li-M-O正极材料及其衍生物

1．2．4 尖晶石型正极材料LiMn2O4与其掺镍、掺铝的衍生物

1．3 LiMn2O4研究现状

1．3．1 LiMn2O4的制备方法

1．3．2 LiMn2O4的改性研究

1．4 微波热处理研究进

1．4．1 微波热处理的优点

1．4．2 微波加热合成—微波化学的研究进展

1．5 选题意义和研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 选题内容

2 实验方法

2．1 引言

2．2 主要实验原料

2．3 主要实验仪器

2．4 材料的合成

2．4．1 LiMn2O4制备

2．4．2 LiNixMn2-xO4(x=0．1／0．2／0．3／0．4／0．5／0．6)制备

2．4．3 LiAlxMn2-xO4(x=0．1／0．2／0．3)制备

2．5 产物的表征

2．5．1 结构与形貌的表征

2．5．2 电化学性能测试

3 LiMn2O4的制备与性能研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 前躯体的热分析

3．3．2 传统热处理原料用量的优化

3．3．3 传统热处理制度的优化

3．3．5 微波热处理制度的优化

3．4 工艺因素对纯相LiMn2O4结构、形貌及电化学性能的影响

3．4．1 结构对比分析

3．4．2 形貌对比分析

3．4．3 电化学性能分析

3．5 本章小结

4 LiNixMn2-xO4的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 Ni掺杂对产物结构与形貌的影响

4．3．2 Ni掺杂对电化学性能的影响

4．3．3 产物中Ni含量检测分析

4．4 本章小结

5 LiAlxMn2-xO4(x=0．1／0．2／0．3)的制备与性能研究

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 结果与讨论

5．3．1 Al掺杂对产物结构与形貌的影响

5．3．2 电化学性能分析

5．3．3 产物中Al含量检测分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历

致谢