锂微电池LiNiMnO正极薄膜材料的制备及其电化学性能研究

摘要

随着微电子器件的发展，对微电池进一步提出了体积小、重量轻、高比能、安全、无污染等新的要求，微电池正极薄膜材料成为了研究的重要方向之一，LiNi0.5Mn0.5O2被认为是最有潜力的正极材料。作为正极薄膜材料的研究尚未见报道，因此本论文研究用溶胶—凝胶旋涂法制备具有层状结构的LiNi0.5Mn0.5O2正极膜的影响因素及其电化学性能。 论文主要讨论制备工艺中影响成膜质量和性能的因素：溶液中离子总浓度以及成膜助剂浓度对成膜质量的影响，原料配比、旋涂工艺、干燥温度、退火温度、退火时间对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜的结构、形貌及电化学性能的影响。 研究表明最佳前驱体溶液体系为：乙酰丙酮锂+乙酰丙酮镍+乙酰丙酮锰+乙酸+正丁醇+聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。其中最佳离子总浓度为0.3mol/L，成膜助剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)最佳单体浓度为0.2mol/L。 旋涂工艺对成膜质量有很大影响。实验结果表明：采用离子总浓度为0.3mol/L，PVP单体浓度为0.2mol/L的溶液旋涂时，转速在3000转/分钟最佳，所得到的LiNi0.5Mn0.5O2薄膜平整光滑均匀，加热后无龟裂现象。 薄膜电极的烧结工艺研究结果表明，在较低(280℃)和较高(400℃)温度干燥的薄膜中含有杂相；随着退火温度的升高和时间的延长，层状结构的衍射峰峰形越来越尖锐，颗粒大小逐渐增加，但在较高温度800℃退火的薄膜出现部分颗粒异常长大，薄膜致密性变差。当干燥温度为360℃，在700℃退火30分钟得到结晶良好的LiNi0.5Mn0.5O2薄膜。 薄膜电化学性能研究表明，只有在干燥温度为360℃，在700℃下退火30分钟获得的LiNi0.5Mn0.5O2薄膜具有最佳的综合性能。该条件下制得的薄膜表面均一、致密、无裂痕，在3.00～4.35V以25μA/c㎡的电流充放电时，首次放电容量为93.89μAh/c㎡μm，循环50次后为80.68μAh/c㎡μm，循环的容量保持率为86％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 前 言

1.1锂微电池的国内外发展概况

1.2锂微电池的发展历程

1.3锂微电池正极材料的研究

1.3.1 LiCoO2

1.3.2 LiNiO2

1.3.3 LiMn2O4

1.3.4 LiMnO2

1.3.5 LiNi0.5Mn0.5O2

1.4锂微电池正极薄膜材料的制备技术

1.4.1射频磁控溅射法(RF magnetron sputtering)

1.4.2脉冲激光沉积法(PLD)

1.4.3化学气相沉积法(CVD)

1.4.4电子束蒸发法(EBE)

1.4.5溶胶-凝胶法(Sol-gel)

1.5本论文的研究目的和内容

第2章LiNi0.5Mn0.5O2正极薄膜材料的溶胶-凝胶旋涂制备技术

2.1实验试剂及仪器设备

2.2溶胶-凝胶旋涂法

2.2.1溶胶-凝胶法制备薄膜的原理

2.2.2溶胶-凝胶薄膜制备的方法

2.3 LiNi0.5Mn0.5O2薄膜的制备

2.3.1基片预处理

2.3.2技术路线

2.3.3电池组装

2.4薄膜的结构与性能测试方法

2.4.1TG-DSC分析

2.4.2 X射线衍射分析(XRD)

2.4.3扫描电子显微镜分析(SEM)

2.4.4原子力显微镜分析(AFM)

2.4.5等离子发射光谱分析(ICP)

2.4.6 X-射线光电子能谱(XPS)

2.4.7循环伏安法(CV)

2.4.8充放电测试

第3章电极薄膜材料的性能影响分析

3.1前驱体溶液体系的选择和制备

3.2旋涂工艺对薄膜质量的影响

3.3LiNi0.5Mn0.5O2凝胶前驱体的TG/DSC分析

3.4金属离子摩尔比对产物结构和电化学性能的影响

3.5干燥温度对薄膜结构、形貌以及电化学性能的影响

3.5.1干燥温度对LiNi0.5Mn0.5 O2薄膜晶形结构和晶粒大小的影响

3.5.2干燥温度对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜电化学性能的影响

3.6退火温度对薄膜结构、形貌以及电化学性能的影响

3.6.1退火温度对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜晶形结构及晶粒大小的影响

3.6.2退火温度对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜电化学性能的影响

3.7退火时间对薄膜结构、形貌以及电化学性能的影响

3.7.1退火时间对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜晶形结构和晶粒大小的影响

3.7.2退火时间对LiNi0.5Mn0.5O2薄膜电化学性能的影响

3.8本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间已发表和已接收的学术论文