锂离子电池Li2MnO3基材料的改性及电化学性能研究

摘要

锂离子电池作为电动汽车电源、储能设备需要提高锂离子电池正极材料的比容量和倍率性能。0.8Li2MnO3·0.2LiCoO2(又写作LMCO)具比容量高、环境友好、资源丰富等特点,是一种很有潜力的正极材料。但是其倍率性能低和循环稳定性不好。本文将通过碳包覆和离子掺杂改善LMCO的电化学性能。研究发现碳包覆层具有较好的电子电导率，可以有效地提高材料的倍率性能，本文选用多种碳源对LMCO进行包覆，研究不同碳包覆材料的倍率性能。此外，本文借助 Nb掺杂稳定材料结构，提高材料的循环性能。
　　有机碳源有PVA、蔗糖以及葡萄糖，其中PVA为碳源的样品团聚严重，而葡萄糖为碳源的样品团聚最小，葡萄糖为碳源的样品具有最佳的电化学性能。以葡萄糖为碳源400℃保温1h得到的样品具有最好的电化学性能，在电流密度为20、50、100mA/g下，材料初始容量比相应的未包碳的初始容量分别提高了26、46.2、241.5％。表明有机碳源较低温度下材料具有优异的倍率性能。以炭黑和葡萄糖为复合碳源的样品在电流密度为50、100、200mA/g下，初始容量分别比单纯的葡萄糖为碳源的高出9.3、20.6、10.4％。
　　包碳虽能提高材料的倍率性能，但是其循环性能依然不佳。本论文通过溶胶凝胶-燃烧法合成了Nb掺杂LMCO来提高该材料的循环性能和倍率性能。发现掺杂量从0增加到4％材料的晶粒的粒度和团聚度逐渐减小，到5％时粒度和团聚度又增加。研究发现掺Nb后样品其初始比容量都很低，随着循环的进行逐渐增加至一个稳定的值。800℃保温10h掺杂3％Nb的样品其电化学性能最佳，在电流密度为20、50mA/g下，30次循环后比容量稳定在200、195mAh/g，比未掺杂的高出19.4、78.6％。显示出优异的循环性能和倍率性能。
　　本文对Nb掺杂量为3％的样品进行了碳包覆。结果表明掺杂和包覆结合改性是材料具有更好地倍率性能和循环稳定性。在电流密度为200mA/g下，比容量维持在160mAh/g，30次循环基本无衰减。

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第1章 绪 论

1.1 锂离子电池的概况

1.2 锂离子电池的正极材料

1.3 富锂层状结构

1.4 本论文的研究内容和意义

第2章 正极材料制备方法和结构与性能分析测试方法

2.1 实验试剂及实验器材

2.2 材料制备流程图

2.3 电池组装

2.4 材料结构表征以及电化学性能测试与分析

第3章 碳包覆对LMCO结构及性能的影响

3.1 不同有机物碳源碳包覆对材料的影响

3.2 不同温度和时间对碳包覆材料的影响

3.3 不同碳包覆量对材料的影响

3.4 有机无机复合碳包覆对材料的影响

3.5 本章小结

第4章 Nb掺杂对LMCO结构和性能影响

4.1 Nb的不同掺杂量对于LMCO的影响

4.2 不同温度对3%Nb掺杂材料的影响

4.3 不同保温时间对材料的影响

4.4 Nb掺杂和碳包覆结合对材料的影响

4.5 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献