新型富锂锰基固溶体锂离子电池正极材料的制备及表征

摘要

锂离子电池作为目前性能优异的储能方式之一，其应用范围越来越广，从电子元器件到汽车轮船等交通领域，都可以看到锂离子电池的身影。汽车行业的应用是锂离子电池目前发展的一个最为主要的方向。这一应用要求锂离子电池具有较高的能量密度，较好的倍率性能和循环稳定性，同时具备成本低，安全性高以及环境友善等特点。目前已开发的锂离子电池正极材料大多都不能同时满足这些要求。最近，具有较高能量密度和循环稳定性能的层状富锂锰基固溶体正极材料 xLi2MnO3?(1-x)LiMO2受到了广泛的关注。随着人们对该种材料的深入研究，具有层状-层状结构和层状-尖晶石结构的材料被开发出来。最近人们又提出向层状-层状结构材料中复合一种尖晶石结构，获得具有层状-层状-尖晶石结构的正极材料。从而使得材料的比容量和循环性能得到进一步的提高。
　　本文以富锂锰基固溶体正极材料0.5Li2MnO3?0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2为基础，主要研究合成方法和尖晶石结构的复合对其电化学性能的影响。
　　在合成方法上，对传统的共沉淀方法进行改进，首次采用两步温度共沉淀法合成出层状-层状结构固溶体正极材料0.5Li2MnO3?0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2。物性和电化学性能测试结果表明：两步温度共沉淀法合成出的材料具有明显的层状结构和球形颗粒。初始合成温度较低时，所得材料在0.1C（1C=250 mA?h/g）倍率下首次放电比容量可达280 mA?h/g以上；在0.5C倍率下首次放电比容量也可达208.7 mA?h/g，并且经过50次循环后放电比容量依然保持在170 mA?h/g以上。
　　为进一步提高性能，合成出具有层状-层状-尖晶石结构的富锂锰基固溶体正极材料δ[0.5Li2MnO3?0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2]?(1-δ)Li0.5Mn4/6Ni1/6Co1/6O2（也可写为 LixMn4/6Ni1/6Co1/6Oy），采用两步温度共沉淀法，通过降低具有层状-层状结构材料0.5Li2MnO3?0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2中的Li含量，同时控制Mn:Ni:CO的摩尔比为4:1:1来获得，所得材料的物性和电化学性能测试结构表明：两步温度共沉淀法可以成功制备出 LixMn4/6Ni1/6Co1/6Oy系正极材料。初始合成温度为50℃时，合成出的材料Li1.4Mn4/6Ni1/6Co1/6O2.45具有良好的表面形貌，球形颗粒较多，在0.1C倍率下，材料的放电比容量为259.2 mA?h/g，在0.5C倍率下依然可以达到160.6 mA?h/g的首次放电比容量，循环50次后放电比容量仍可达到141.9 mA?h/g，其倍率性能不佳；而当初始合成温度为60℃时，合成出的材料Li1.3Mn4/6Ni1/6Co1/6O2.4的表面形貌较为优异，细小的球形颗粒较多；在0.1C倍率下，材料的放电比容量高达305.3 mA?h/g，首次充放电循环效率为74.1％，在0.5C倍率下首次放电比容量为209.4 mA?h/g，经过50次循环后放电比容量为168.8 mA?h/g，容量保持率不是很好。另外倍率性能测试显示，材料在高倍率下进行循环时，仍具有较好的库伦效率。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 常见锂离子电池正极材料

1.4 富锂锰基固溶体正极材料研究进展

1.5 本课题研究内容与创新

第2章 实验材料与测试方法

2.1 实验材料和设备

2.2 材料的物性表征

2.3 电极片的制备和电池的组装

2.4 材料的电化学性能测试

第3章 0.5Li2MnO3?0.5LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2的共沉淀法制备及表征

3.1 引言

3.2 材料的制备

3.3 初始合成温度对材料物理性能的影响

3.4 初始合成温度对材料电化学性能的影响

3.5 本章小结

第4章 层状-层状-尖晶石材料LixMn4/6Ni1/6Co1/6Oy的制备及表征

4.1 引言

4.2 层状-层状-尖晶石富锂材料的制备

4.3 初始合成温度对LixMn4/6Ni1/6Co1/6Oy系材料结构及形貌的影响

4.4 初始合成温度对LixMn4/6Ni1/6Co1/6Oy系材料电化学性能的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢