锂离子电池新型正极材料的研究和功率型锂离子电池的试制

摘要

本论文研究的主要内容包括三个部分：铝掺杂改性尖晶石LiMn2O4的制备以及对铝掺杂后材料的结构和电化学性能的研究：利用共沉淀和高温固相反应结合制备具有层状结构的LiNixCoyMn1-x-yO2，并研究了钴含量和锰含量的变化对该材料的结构和电化学性能的影响；利用改性尖晶石LiMn2O4作为正极材料试制了功率型18650锂离子电池，并对其循环性能、倍率性能以及安全性能进行了测试。 为了提高正尖晶石LiMn2O4的电化学性能，我们通过元素铝的掺杂对正尖晶石结构的LiMn2O4进行改性。SEM照片显示改性锰酸锂具有完整的正八面体尖晶石结构，激光粒度分析d50=12.5μm，比表面积为0.3m2/g。XRD结构分析结果表明，掺杂改性后的材料具有与原尖晶石LiMn2O4相同的晶体结构，没有出现杂质峰，但晶格参数变小。利用ICP进行元素分析，结果表明元素铝确实定量的掺杂到晶体中去，没有在高温反应时丢失。尽管修饰后尖晶石LiMn2O4与未修饰前相比初始比容量有所降低，但该材料的循环性能与高倍率充放电性能得到了显著的提高。掺杂改性后材料电化学性能的提高主要归结于Al3+在热处理过程中进入尖晶石晶体结构中起到稳定材料晶体结构的作用。 层状镍钴锰三元系锂离子电池正极材料自从2001年首次由Ohzuku和J.R.Dahn研究以来，逐渐成为研究的热点，最有可能成为新一代小型锂离子电池的首选正极材料。采用共沉淀方法制取前驱体，再利用高温固相反应合成出了具有标准层状结构电化学性能优异的锂离子电池正极材料。材料的形貌和结构通过SEM和XRD进行表征。改变该材料中Ni，Mn与Co的比例，可以合成出具有不同电化学性能的材料。Co含量的提高能显著提高材料的容量和倍率性能。Mn含量的变化能够影响材料的脱嵌锂电压。 利用合成的改性锰酸锂作为正极材料，MCMB作为负极材料试制了功率型18650锂离子电池。电池具有出色的循环和倍率性能并且通过了所有安全性测试。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

引言

1.1锂离子电池的产生与发展

1.1.1锂离子电池的产生

1.1.2锂离子电池的工作原理及分类

1.1.3锂离子电池的国内外发展现状

1.1.4锂离子电池的应用前景

1.2锂离子电池正极材料概述

1.2.1锂离子正极材料的研究概况

1.2.2层状Li-Co-O系正极材料

1.2.3层状Li-Ni-O系正极材料

1.2.4 LiFePO4等磷酸盐体系正极材料

1.2.5尖晶石Li-Mn-O系正极材料

1.2.6复合正极材料LiMn1-x-yNixCoyO2

1.3本论文研究内容

第二章铝掺杂改性尖晶石LiMn2O4的制备与性能研究

2.1样品的制备与测试

2.1.1样品的制备

2.1.2测试与表征

2.2测试结果与讨论

2.2.1 SEM

2.2.2尖晶石LiMn2-xAlxO4的XRD测试结果

2.2.3化学元素分析(ICP)

2.2.4掺杂铝对尖晶石电化学性能的影响

2.2.5热稳定性

2.3本章小节

第三章层状镍钴锰三元系锂离子电池正极的制备与性能研究

3.1材料的制备

3.2样品的测试与表征

3.3 Co含量的变化对正极材料LiNi0.5-xCo2xMn0.5-xO2的结构与性能影响

3.3.1材料的制备

3.3.2 XRD测试

3.3.3 SEM测试

3.3.4红外光谱测试

3.3.5材料的热稳定性

3.3.6材料的电化学性能

3.4 Mn含量对正极材料LiMnxCo0.2Ni0.8-xO2的结构电化学性能影响

3.4.1材料的制备

3.4.2 SEM测试结果

3.4.3LiMnxCo0.2Ni0.8-xO2的晶体结构研究

3.4.4LiMnxCo0.2Ni0.8-xO2的电化学性能

本章小结

第四章功率型锂离子电池制作技术机电池性能研究

4.1锂离子电池的组成及结构

4.1.1电极

4.1.2隔膜

4.1.3电解液

4.1.4电池壳及其配件

4.2所用原料及设备

4.3试验过程

4.4电池的电化学性能测试及安全性检测

4.4.1循环性能测试

4.4.2倍率性能测试

4.4.3安全性能检测

4.5测试结果与讨论

4.5.1循环性能

4.5.2倍率性能测试结果

4.5.3安全性能测试结果

4.6本章小结

论文工作总结

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文