高电位正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备及改性研究

摘要

LiNi0.5Mn1.5O4正极材料具有较高的4.7V(vs.Li/Li+)放电平台、原料丰富且对环境友好,是一种有前景的高能量密度正极材料.但是,较高的充放电电压使得LiNi0.5Mn1.5O4材料易与有机电解液发生副反应,造成Mn溶解和严重的容量衰减.为提高LiNi0.5Mn1.5O4材料的电化学性能,本文采用二价和四价元素相结合的共掺杂方式对其进行改性.采用XRD、SEM、FTIR和电化学测试对所制备的材料进行分析,研究内容和结果如下: (1)采用溶胶-凝胶法成功合成了Mg和Si元素均匀掺杂的尖晶石结构LiNi0.5Mn1.5O4.首先对比了Mg/Si单一元素掺杂和Mg-Si共掺杂对材料的改性效果,在3-5V(vs.Li/Li+)电压范围内进行0.5C恒流充放电循环100次,未改性材料仅有79.11%的容量保持率,但Mg掺杂、Si掺杂和Mg-Si共掺杂之后,材料的容量保持率分别提高到了94.76%、88.63%和98.86%,表明Mg-Si共掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4的循环稳定性具有最好的改善效果.然后进一步探究了Mg-Si共掺杂量对材料的影响.结果Mg-Si共掺杂0.03样品表现出最优异的综合电化学性能,该材料在5C大倍率下仍能释放96.9mAh g-1的放电比容量,高于未改性材料的53.3mAh g-1的容量.适量的Mg-Si共掺杂能抑制材料在循环过程中阻抗值的增加. (2)综合考察了Cu2+和Ti4+掺杂改性LiNi0.5Mn1.5O4材料.实验结果表明,适量的Cu-Ti共掺杂能抑制岩盐相LixNi1-xO的产生.Cu掺杂、Ti掺杂和Cu-Ti共掺杂材料循环100次后容量分别为110.5mAh g-1、114.9mAh g-1和120.3mAh g-1,容量保持率分别为88.90%、89.42%和93.33%,循环稳定性均比未改性材料更优,且Cu-Ti共掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4的改善效果比Cu/Ti单元素掺杂更好.进一步探究了Cu-Ti共掺杂量对材料的影响,实验中发现等摩尔掺杂0.05的样品具有最优的循环稳定性,100次循环后容量仍有122.1mAh g-1,容量保持率为97.37%. (3)采用溶胶-凝胶法成功制备了Mg-Ti均匀掺杂的LiNi0.5-xMgxMn1.5-xTixO4(x=0;0.01;0.03;0.05)材料.研究结果表明:Mg-Ti共掺杂使材料颗粒粒径更加均匀,且暴露出更多的晶面.在0.5C倍率下循环100次,共掺杂量为0、0.01、0.03和0.05样品的容量保持率分别为79.11%、88.83%、99.26%和86.35%,表明适量的Mg-Ti共掺杂能有效地提升材料的循环稳定性,其中0.03掺杂量的材料具有最优的电化学性能,在5C大倍率下,该材料能释放出99.7mAh g-1的容量,远优于未改性材料的倍率性能.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2.1 锂离子电池的特点

1.2.2 锂离子电池的发展简史

1.2.3 锂离子电池的组成及工作原理

1.3 锂离子电池正极材料

1.3.1 层状结构正极材料

1.3.2 橄榄石结构正极材料

1.3.3 尖晶石型正极材料

1.4 高电位正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的概述

1.4.1 LiNi0.5Mn1.5O4的特点

1.4.2 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备

1.4.3 LiNi0.5Mn1.5O4的改性研究

1.5 本论文的研究意义及内容

第二章 实验

2.1 实验试剂与仪器

2.2 材料表征方法

2.2.1 X射线衍射（XRD）

2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）-能谱仪（EDS）

2.2.3 傅立叶转换红外光谱测试（FTIR）

2.3 电化学性能测试

2.3.1 电极片的制作与电池的组装

2.3.2 恒流充放电测试

2.3.3 交流阻抗测试（EIS）

第三章 Mg和Si元素掺杂改性LiNi0.5Mn1.5O4正极材料

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3.1 材料的结构表征与分析

3.3.2 材料的形貌表征与分析

3.3.3 材料的电化学性能测试与分析

3.4 LiNi0.5-xMgxMn1.5-xSixO4(0≤x≤0.07)正极材料性能研究

3.4.1 材料的结构表征与分析

3.4.2 材料的形貌表征与分析

3.4.3 材料的电化学性能

3.5 本章小结

第四章 Cu和Ti元素掺杂改性LiNi0.5Mn1.5O4正极材料

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3.1 材料的结构表征与分析

4.3.2 材料的形貌表征与分析

4.3.3 材料的电化学性能

4.4 LiNi0.5-xCuxMn1.5-xTixO4(0≤x≤0.07)正极材料性能研究

4.4.1 材料的结构表征与分析

4.4.2 材料的形貌表征与分析

4.4.3 材料的电化学性能

4.5 本章小结

第五章 Mg-Ti元素共掺杂改性LiNi0.5Mn1.5O4正极材料

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3.1 材料的结构表征与分析

5.3.2 材料的形貌表征与分析

5.3.3 材料的电化学性能

5.4 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间获得的成果