正极薄膜材料LiNi0.5Mn0.5O2的溶胶凝胶旋涂法制备及性能研究

摘要

层状结构LiNio.5Mno.502作为一种锂离子电池正极材料，具有结构稳定、比容量高、热安全性好、原料成本低等优点，被认为是极有研究价值的材料体系，但关于LiNio.5Mno.502薄膜材料的研究文献报道较少。本论文选取LiNio.5Mno.502薄膜材料作为研究体系，采用溶胶凝胶旋涂法制备。该工艺过程简单，与射频磁控溅射、脉冲激光沉积(PLO)等物理方法相比不需要昂贵的设备，制备成本较低，而且化学组分容易控制，便于规模生产。
　　 本论文综合文献报道，选取价廉易得的醋酸锂、醋酸锰和乙酰丙酮镍为原料，通过大量实验摸索出稳定、均匀的前躯体溶胶的配制方法。采用旋转涂膜技术，在Si基片、Pt/Ti/Si02/Si基片和Pt基片上分别制备了LiNio.sMno.502薄膜材料。主要讨论了溶胶凝胶旋涂法制备薄膜工艺中影响成膜质量和性能的各种因素：(1)前驱体溶液的配制，包括原料配比、溶液中总金属离子浓度以及成膜助剂浓度对成膜质量的影响等；(2)旋涂工艺，包括甩胶速度及时间的控制，湿膜干燥工艺的确定；(3)高温退火方式，退火温度和退火升温速率对LiNio.5Mno.502薄膜的结构、形貌及电化学性能的影响。利用各种测试手段XRD，SEM，TG/DSC，ICP-AES，CV测试和电化学性能测试等，系统研究了原料配比、PVP的用量、干燥处理温度、退火温度及升温速率等对LiNio.sMno.502薄膜的结构、形貌及电化学性能的影响。通过优化工艺参数，我们制得了表面结晶均匀、致密、无裂痕的LiNio.5Mno.502薄膜材料，具有良好的电化学性能。
　　 研究表明最佳产物的制备条件为；醋酸锂十乙酰丙酮镍十醋酸锰十冰醋酸十异丙醇十水，以PVP为成膜助剂，其中Li/(Mn+Ni)=l.20，金属离子总浓度0.66mol/L为宜，PVP最佳浓度为0.5 mol/L:旋涂工艺转速为3000rpm，时间30s，重复旋涂五次得到所需厚度薄膜；当干燥温度为450℃，并在700℃（控制一定的升温速率）退火30min得到的LiNio.sMno.s02薄膜材料结构形貌及电化学性能良好。XRD结果表明，最佳条件下制备的LiNio.sMno.502薄膜材料具有纯相的层状结构，ICP分析薄膜的化学组成为Lil.olNio.sMno.502，在电压范围2.5V-4.5V以20uA/cm2的电流充放电时，首次放电容量为92.28μAh/cm2/μm，循环50次后为73.68μAh/cm2μm，容量保持率约为80％。

目录

文摘

英文文摘

缩略语表示

第1章 绪论

1.1 全固态锂离子电池研究概述

1.1.1 全固态锂离子电池的研究进展

1.1.2 全固态锂离子电池的特点、及工作原理

1.2 微锂电池正极薄膜材料的研究进展

1.2.1 层状LiM02型正极薄膜材料

1.2.2 尖晶石LiMn204型正极薄膜材料

1.2.3 V205

1.2.4 橄榄石LiFeP04型正极薄膜材料

1.3 正极薄膜材料制备技术的介绍

1.4 本论文研究背景及意义

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 溶胶-凝胶旋涂法制备LiNio.5Mno.502正极薄膜材料的研究

2.1 实验所用原料及仪器设备

2.2 溶胶-凝胶旋涂法(sol-gel spin coating)

2.2.1 溶胶-凝胶(SG)制备薄膜的方法

2.2.2 溶胶-凝胶法(SG)制备薄膜的原理

2.2.3 旋涂法简介

2.3 LiNio.5Mno.502薄膜的制备

2.3.1 基片的处理

2.3.2 LiNio.5Mno.502正极薄膜材料的制备

2.4 薄膜的形貌结构与性能测试方法

2.4.1 热重和差示扫描量热法(TG-DSC)

2.4.2 X射线衍射分析(XRD)

2.4.3 红外吸收光谱(FTIR)

2.4.4 扫描电子显微镜分析(SEM)

2.4.5 等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)

2.4.6 恒流充放电测试

第3章 薄膜电极材料LiNio.5Mno.5O2成膜条件研究

3.1 成膜助剂PVP的作用及最佳用量的选择

3.1.1 成膜助剂PVP与金属离子的作用

3.1.2 成膜助剂PVP对溶液粘度的影响及最佳用量的选择

3.1.3 PVP与总金属离子的浓度比对LiNio.5Mno.502薄膜结构的影响

3.2 旋涂工艺对制备薄膜材料厚度及均匀性的影响

3.2.1 溶胶凝胶旋涂法制备工艺流程

3.2.2 LiNio.sMno.502薄膜材料厚度及均匀性的控制

3.3 湿膜的低温热处理过程

3.3.1 前躯体溶液的热性能分析

3.3.2 非晶态薄膜的形成

3.4 本章小结

第4章 LiNio.5Mno.sO2正极薄膜材料制备条件的优化及结果讨论

4.1 前驱体溶液体系的选择对制备材料性能的影响

4.2 初始Li/(Ni+Mn)配比对产物结构和电化学性能的影响

4.3 不同干膜温度下制备的薄膜材料的结构及电化学分析

4.4 退火温度对薄膜结构及电化学性能的影响

4.3.1 退火温度对LiNio.5Mno.502薄膜的结构和形貌影响

4.3.2 退火温度对LiNio.5Mno.502薄膜的电化学性能影响

4.5 退火升温速率度对薄膜结构及电化学性能的影响

4.5.1 退火升温速率对薄膜结构的影响

4.5.2 退火升温速率对薄膜电化学性能的影响

4.6 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文