锂离子电池正极材料LiMn2O4的高温固相合成及改性研究

摘要

随着经济社会的高速发展与电池技术的不断改进，锂离子电池的应用领域越来越广泛，需求也越来越迫切。尖晶石LiMn2O4因其成本低、资源丰富、可快速充放电和无污染等优点，被认为是非常有潜力的锂离子电池正极材料。然而，其缺点是由Jahn-Teller效应、锰的溶解、电解液的分解等原因而引起的循环性能较差。本论文通过掺杂金属阳离子、表面包覆改性等方式制备具有高能量密度、良好循环性能的尖晶石LiMn2O4材料，并且通过XRD、SEM、TEM、EDS等测试手段对前驱体、最终产物进行结构、元素和形貌的分析，采用循环伏安法、恒电流充放电测试对电极材料的电化学性能进行分析。本论文主要完成的工作如下:
　　 1、稀土元素La掺杂改性尖晶石锰酸锂。采用高温固相法，研究了稀土元素La掺杂改性锰酸锂，制备了Li1.02LaxMn2-xO4(x=0，0.02，0.05，0.1)系列产物，探索了稀土元素掺杂对尖晶石锰酸锂电极材料物理特性、空间结构稳定性以及电化学性能的影响。XRD衍射峰表明该系列产物均为尖晶石结构。其中，Li1.02La0.05Mn1.95O4在室温0.5C条件下充放电循环200圈，放电比容量由116.5mAhg-1降为100.8mAhg-1，总的比容量保持率达到86.52％。
　　 2、金属元素Al、Ti掺杂改性尖晶石锰酸锂。选择了Al和Ti掺杂改性锰酸锂，制备了Li1.02M0.02Mn1.98O4(M=Mn，Ti，Al)的系列产物，考察了不同掺杂元素对LiMn2O4电极材料结构和电化学性能方面的影响。实验结果表明:Li1.02Al0.02Mn1.98O4具有优秀的电化学性能，在室温1C条件下充放电循环205圈比容量由116.8mAhg-1降为106mAhg-1，总的比容量保持率为90.75％。
　　 3、La2O3包覆改性尖晶石锰酸锂。采用机械球磨结合高温煅烧的方法分别制备了5wt.％La2O3包覆的LiMn2O4和5wt.％La2O3包覆的Li1.02La0.05Mn1.95O4正极材料。XRD衍射峰表明经过表面改性处理后的产物仍然为尖晶石结构。通过TEM、SEM、EDS等检测方法对样品进行元素和形貌的分析。实验结果表明通过La2O3表面改性处理，LiMn2O4和Li1.02La0.05Mn1.95O4电极材料电化学性能均有明显的提升。
　　 4、刺球状尖晶石锰酸锂的制备。利用共沉淀法成功制各了纳米刺球状MnO2前驱体，然后采用高温固相法成功制各了尖晶石LiMn2O4正极材料。通过XRD、TEM、SEM等检测方法对前驱体、最终产物进行结构、元素和形貌的分析。电化学性能测试表明，刺球状LiMn2O4具有优异的电化学循环性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池的发展简史

1．2．2 锂离子电池的应用

1．2．3 锂离子电池的特点

1．2．4 锂离子电池的组成

1．2．5 锂离子电池的工作原理

1．3 尖晶石型LiMn2O4的研究进展

1．3．1 尖晶石型LiMn2O4的晶体结构和充放电机理

1．3．2 尖晶石型LiMn2O4容量衰减原因

1．3．3 改善尖晶石型LiMn2O4材料性能研究

1．4 尖晶石型LiMn2O4的合成方法

1．4．1 高温固相合成法

1．4．2 溶胶-凝胶法

1．4．3 共沉淀法

1．4．4 水热合成法

1．4．5 其它合成方法

1．5 研究LiMn2O4的意义及本文创新之处

1．5．1 研究意义

1．5．2 本文研究内容和创新之处

参考文献

第二章 合成及分析表征方法

2．1 材料的合成

2．1．1 主要原料与仪器设备

2．1．2 合成方法

2．1．3 测试电池电极的制备

2．1．4 测试电池的组装

2．2 分析表征方法

2．2．1 结构和形貌分析

2．2．2 电化学性能分析

参考文献

第三章 金属阳离子掺杂改性尖晶石锰酸锂

3．1 引言

3．2 Li1．02LaxMn2-xO4的制备

3．2．1 结构及形貌分析

3．2．2 电化学性能分析

3．3 Li1．02M0．02Mn1．98O4(M=Mn，Al，Ti)的制备

3．3．1 结构及形貌分析

3．3．2 电化学性能分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 La2O3表面包覆改性尖晶石锰酸锂的研究

4．1 引言

4．2 La2O3表面包覆改性尖晶石LiMn2O4及其电化学性能

4．2．1 机械球磨法合成La2O3包覆LiMn2O4正极材料

4．2．2 La2O3包覆LiMn2O4正极材料的物理表征

4．2．3 La2O3包覆LiMn2O4正极材料的电化学性能

4．3 La2O3表面包覆改性Li1．02La0．05Mn1．95O4及其电化学性能

4．3．1 机械球磨法合成La2O3包覆Li1．02La0．05Mn1．95O4正极材料

4．3．2 La2O3包覆Li1．02La0．05Mn1．95O4正极材料的物理表征

4．3．3 La2O3包覆Li1．02Mn2O4正极材料的电化学性能

4．4 本章小结

参考文献

第五章 刺球状LiMn2O4电极材料的初步研究

5．1 引言

5．2 纳米结构MnO2的制备

5．2．1 结构及形貌分析

5．3 刺球状LiMn2O4的制备

5．3．1 结构及形貌分析

5．3．2 电化学性能分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的论文及获得的荣誉和奖励