纳米锰酸锂和锰酸锂/碳纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

摘要

近年来，锂离子电池LiMn2O4正极材料一直是研究的热点，但是，在电动汽车等高功率应用场合下，LiMn2O4材料仍存在较大的极化效应和低功率密度，也存在较快的容量衰减问题。而功率密度过低是由于电极材料的倍率容量较低所导致，特别是在高的电流倍率下正极材料中锂离子和电子扩散慢导致锂离子在材料中脱出/嵌入不充分。通常用两种方法来提高正极材料的倍率容量:一种是将正极材料的结晶尺寸和颗粒尺寸从传统的微米级减少到纳米级，使锂离子扩散和电子传输距离得到显著减小;另一种方法是在正极材料中添加导电物质来增加它们的电子电导率。研究发现，使用纳米结构的锰酸锂及其锰酸锂/碳材料纳米复合物作为正极材料时，锂离子电池的倍率容量，结构稳定性和循环容量保持率都得到提高。
　　本论文首先探索了纯相纳米锰酸锂粒子的合成，通过调节反应物的锂锰比例来探索一步水热法合成物相较纯、晶粒细小、粒度均匀、结晶性好的锰酸锂纳米颗粒，合成的纯相纳米锰酸锂材料具有较高的首周放电容量，但可能由于电极制备和循环过程中大纳米颗粒间发生了团聚，导致其倍率性能还不够好，长周次下循环稳定性较一般，需要后续的改性加以提高。
　　然后我们通过在上述水热反应过程加入石墨烯，合成锰酸锂/石墨烯(LiMn2O4/GNS)纳米复合材料，尺寸为10-20nm的纳米LiMn2O4粒子均匀地分散在石墨烯片层上。石墨烯的加入不仅提高了锰酸锂的导电性能，而且减少了纳米粒子的团聚，相较于纯的锰酸锂材料，锰酸锂/石墨烯纳米复合材料拥有较高的容量，较稳定的循环稳定性和倍率容量保持率。
　　为了探究锰酸锂正极材料在电动汽车等高功率电池领域的运用前景，构建具有高倍率性能的锰酸锂纳米结构，我们通过一步水热法制备获得高度结晶的超细锰酸锂/碳纳米管(LiMn2O4/CNT)纳米复合材料。碳纳米管形成的的三维导电基体不仅能为活性材料提供更高的电子导电率，还能减少锰酸锂纳米粒子之间的团聚。具有独特结构和形貌的超细锰酸锂/碳纳米管纳米复合材料可以表现出超高的倍率容量和长周次下的循环稳定性，相对于文献报导的溶胶凝胶法制备的锰酸锂表现出更优越的性能，有望运用在混合动力汽车及纯电动汽车等高功率电池领域中。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 锂离子电池的工作原理

1．2 锂离子电池正极材料锰酸锂

1．2．1 锰酸锂的结构

1．2．2 锰酸锂材料存在的主要问题及解决途径

1．3 锰酸锂纳米材料及锰酸锂／碳纳米复合材料

1．3．1 锰酸锂纳米材料的合成制各

1．3．2 锰酸锂／碳纳米复合材料的合成制备

1．3．3 锰酸锂纳米材料及锰酸锂／碳纳米复合材料

1．4 本论文的研究目的和研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2 实验方法

2．1 实验药品及仪器设备

2．1．1 实验药品与仪器

2．2 材料的性能测试

2．2．1 材料的微观结构表征

2．2．2 材料的电化学表征

3 锰酸锂纳米粒子的制备及其电化学性能研究

3．1 前言

3．2 材料制备

3．3 不同锂锰反应物对合成锰酸锂纯度、微观结构和电化学研究

3．3．1 微观结构表征

3．3．2 电化学性能分析

3．4 水热制备的纯相锰酸锂微观结构和电化学性能研究

3．4．1 微观结构表征

3．4．2 电化学性能表征

3．5 小结

4 锰酸锂／石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能研究

4．1 前言

4．2 材料制备

4．3 材料微观结构表征

4．4 电化学测试

4．5 结论

5 锰酸锂／碳纳米管纳米复合材料的制各及其电化学性能研究

5．1 前言

5．2 材料制备

5．3 材料微观结构表征

5．4 电化学测试

5．5 结论

6 结论及工作展望

6．1 结论

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况