溶胶凝胶法合成Li2FeSiO4和Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2正极材料及改性研究

摘要

硅酸盐系Li2FeSiO4和富锂层状氧化物Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2锂离子正极材料具有较高的理论比容量,是具有应用前景的高容量正极材料。但是,Li2FeSiO4材料的合成工艺不成熟、容易产生杂相,并且其极低的电导率使高倍率性能很差,限制了其实际应用;富锂层状氧化物Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料在长循环过程中逐渐表现出容量和放电平台的衰减,尤其其高倍率循环性能非常差,很难商业化。针对这两种材料的这些缺点,本论文研究了Li2FeSiO4和Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料合成工艺、材料微纳结构、掺杂改性与其电化学性能的关系,具体研究内容和结果如下:
　　采用溶胶凝胶法以表面活性剂P123为碳源合成了纳米晶Li2FeSiO4/C复合正极材料,研究了合成工艺对材料结构和电化学性能的影响。结果显示,在650℃煅烧凝胶得到的Li2FeSiO4/C纳米复合材料杂质最少、电化学性能最好;在0.1C倍率下首次充放电的表观比容量分别为163.7 mAh/g和172 mAh/g,经过循环后维持在150 mAh/g左右。采用水热处理凝胶前驱体后得到的纳米Li2FeSiO4/C复合材料出现杂质,但材料颗粒尺寸比较均匀,提高了其高倍率循环性能。把Li2FeSiO4/C作为负极材料进行充放电测试,在电流密度为50mA/g时材料的首充放电比容量为451mAh/g和840 mAh/g,经过60次循环后充放电比容量维持在450mAh/g,表现出良好的循环稳定性。
　　在采用溶胶凝胶法以P123为碳源的基础上,对Li2FeSiO4/C进行了掺杂处理期望提高倍率性能。结果表明在Fe位掺20％Mn,热处理温度为670℃时,掺杂材料的充电平台得到提高,0.1C倍率下首次放电比容量超过180 mAh/g;在Si位试图加入P提高电化学性能,结果表明,加入P元素能够明显提高Li2FeSiO4/C材料的倍率循环性能,最佳的P加入量低于10%。
　　采用溶胶凝胶法以乙二胺四乙酸(EDTA)为络合剂,合成了富锂层状氧化物Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料。结果显示,在800℃热处理的材料颗粒不均匀,分散性较差,出现团聚现象,在电流密度为20mA/g时首次冲放电比容量分别为330 mAh/g和260 mAh/g,循环性能较差;使用PMMA作为有机模板,用三元系前驱体溶液进行填充模板处理后可抑制颗粒团聚现象,得到具有晶粒尺寸在100纳米左右的富锂层状氧化物Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料,提高了材料的循环性能,在电流密度为40 mA/g时材料的首次充放电比容量分别为330 mAh/g和280 mAh/g,经过100次循环后材料的放电比容量为200 mAh/g,保持率能够达到71%。

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第一章绪论

1.1电池的演变历程

1.2锂离子电池概述

1.3 Li2MSiO4正极材料的研究现状

1.4本文的研究目的和主要内容

第二章实验

2.1 实验药品

2.2 实验原理与方法

2.3 样品的电化学性能测试

第三章溶胶凝胶法制备Li2FeSiO4/C复合材料与性能

3.1 Li2FeSiO4/C复合材料的制备与性能

3.2 本章小结

第四章 Li2FeSiO4/C复合材料掺杂与性能

4.1 Li2Fe0.8Mn0.2SiO4/C复合材料的制备与性能

4.2 Li2FeSi1-xPxO4/C复合材料的制备与性能

4.2 本章小结

第五章 溶胶凝胶法合成Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2材料与性能研究

5.1 溶胶凝胶法合成Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2正极材料

5.2 PMMA模板法合成多孔Li[Li0.2Co0.13Ni0.13Mn0.54]O2正极材料

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

科研成果

致谢