提高锂离子电池LiMn2O4正极材料高温性能技术研究

摘要

随着电子设备和电动车的快速发展,对锂离子电池性能提出了更高的要求。而尖晶石型锰酸锂因为其原材料丰富、放电平台电压高、可大电流充放电等优点被视为最具商业化前景的锂离子电池正极活性材料之一。但阻碍其大规模商业化发展步伐的是 LiMn2O4在充放电循环过程比容量衰减快、循环稳定性、尤其是高温循环稳定性差。本文通过概述LiMn2O4研究现状,并总结归纳出了造成LiMn2O4容量衰减的主要原因;针对Jahn-Teller效应和Mn3+的歧化分解导致LiMn2O4性能降低的原因,分别以掺杂金属阳离子和氧化物包覆的方法来改善 LiMn2O4的高温循环性能。
　　采用高温固相法分别制备了 LiMn2O4、LiMgyMn2-yO4(y=0.02、0.05、0.10、0.20)、LiAlyMn2-yO4(y=0.05、0.10、0.20、0.25)、Al2O3-LiAl0.2Mn1.8O4(0.3wt.％,0.5wt.%,1.0wt.%,2.0wt.%)、AlPO4-LiAl0.2Mn1.8O4(0.5wt.%,1.0wt.%,2.0wt.%,3.0wt.%)样品,分别研究掺杂和包覆对LiMn2O4的性能影响。并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分别对不同的样品进行了表征,研究了其晶体结构与微观形貌。从物理表征中可以看出,微量的掺杂或包覆对锰酸锂的晶体结构影响不大,但掺杂和包覆可以引起样品颗粒团聚。将不同样品分别制成电极片,组装成扣式半电池,在高温(60℃)环境下测试其循环伏安曲线和恒流充放电曲线。结果表明,适量掺杂后的样品相对于未掺杂的 LiMn2O4可逆性得到了明显提高,Mg掺量y=0.10和Al掺量y=0.20的初始比容量分别为84.3mAh/g、93.2 mAh/g,在100次循环后,比容量损失率分别为5.8%、3.4%。适量包覆后的样品的可逆性相对于未包覆的LiAl0.2Mn1.8O4也得到了提高,Al2O3包覆量2.0wt.%和AlPO4包覆量1.0wt.%的初始比容量分别为81.4mAh/g、87.4mAh/g,在100次循环后,比容量损失率分别为3.5%、6.5%。这主要是因为掺杂 Mg和 Al元素,固定了 LiMn2O4的尖晶石结构,提高了样品的电子导电性,抑制了循环过程中的Jahn-Teller效应。而包覆Al2O3和AlPO4可以阻隔电解液腐蚀活性物质,阻隔Mn3+离子的歧化溶解。从恒流充放电曲线中可以看出,掺杂Mg和Al元素明显改善了锰酸锂样品的循环稳定性,尤其在60℃的高温环境下,100次循环后的比容量衰减明显降低。包覆Al2O3和AlPO4的样品相对于LiAl0.2Mn1.8O4的循环稳定性也有所提高。

目录

提高锂离子电池LiMn2O4正极材料高温性能技术研究

ENHANCED HIGH-TEMPERATURE PERFORMANCE OF LiMn2O4 AS A CATHODE MATERIAL FOR LITHIUM-ION BATTERY

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 锂离子电池的起源与发展

1.3 锂离子电池的特点

1.4 锂离子电池的结构及工作原理

1.5 正极活性材料的研究现状

1.5.1 主要锂离子电池正极材料研究进展

1.5.2 尖晶石型锰酸锂的研究进展

1.6论文研究的意义和内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验材料及仪器设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器设备

2.2 实验方案

2.2.1 材料制备

2.2.2 电极制备与电池组装

2.3 材料表征

2.3.1 X射线衍射（XRD）分析

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.4 电池电化学性能测试方法

2.4.1循环伏安曲线测试（CV）

2.4.2 恒流充放电测试

第3章 掺杂提高LiMn2O4高温性能研究

3.1 纯相尖晶石型LiMn2O4的高温性能

3.1.1 LiMn2O4样品的制备

3.1.2 LiMn2O4物理性能分析

3.1.3 LiMn2O4电化学性能分析

3.2 Mg2+掺杂尖晶石型LiMn2O4的高温性能

3.2.1 LiMgyMn2-yO4样品的制备

3.2.2 LiMgyMn2-yO4物理性能分析

3.2.3 LiMgyMn2-yO4电化学性能分析

3.3 Al3+掺杂尖晶石型LiMn2O4的高温性能

3.3.1 LiAlyMn2-yO4样品的制备

3.3.2 LiAlyMn2-yO4物理性能分析

3.3.3 LiAlyMn2-yO4电化学能分析

3.4 本章小结

第4章 包覆提高LiAl0.2Mn1.8O4高温性能研究

4.1 Al2O3包覆LiAl0.2Mn1.8O4的结构与性能

4.1.1 Al2O3包覆LiAl0.2Mn1.8O4样品的制备

4.1.2 Al2O3包覆LiAl0.2Mn1.8O4物理性能分析

4.1.3 Al2O3包覆LiAl0.2Mn1.8O4电化学性能分析

4.2 AlPO4包覆LiAl0.2Mn1.8O4的结构与性能

4.2.1 AlPO4包覆LiAl0.2Mn1.8O4样品的制备

4.2.2 AlPO4包覆LiAl0.2Mn1.8O4物理性能分析

4.2.3 AlPO4包覆LiAl0.2Mn1.8O4电化学性能分析

4.3本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致 谢