表面包覆及掺杂对锰酸锂高温循环性能影响的研究

摘要

尖晶石锰酸锂正极材料因具有资源储备丰富、合成工艺简单、安全无毒等优点,是钴酸锂的替代材料之一，受到广泛关注。但锰酸锂正极材料存在高温（特别是50-60℃）循环性能差、Mn离子易溶解、容量保持率低等缺点，严重制约了它的产业化和商业化应用。本文工作主要集中在以下两个方面：
　　1，采用溶胶凝胶法在锰酸锂表面分别包覆LiNi1/2Mn3/2O4和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。通过优化制备过程，控制反应时间、烧结温度、烧结时间等因素寻找最佳的制备工艺，对相应材料的锂离子电池进行电化学性能测试。结果表明，采用溶胶凝胶法在锰酸锂表面包覆2wt％的LiNi1/2Mn3/2O4不仅不会改变锰酸锂的本体结构，而且可以有效地增强锰酸锂正极材料的高温循环稳定性。但是由于LiNi1/2Mn3/2O4放电电压高，表面包覆会降低锰酸锂的首次比容量。在锰酸锂表面包覆2wt%的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2形成一层均匀的致密的保护膜，而且这层保护膜会增加锰酸锂正极材料首次比容量，高温55℃下，2C循环100次之后容量保留率由原来的85.1%提升到97.2%。根据ICP分析，表面包覆能有效抑制Mn离子溶解，从而显著提高电池的高温循环性能。
　　2，利用第一性原理模拟计算锰酸锂及包覆层镍锰酸锂材料的结构和性质，以与实验结果比较验证。第一性原理密度泛函理论结构分析表明，锰酸锂基态磁序为反铁磁性，而镍锰酸锂的基态磁序为亚铁磁性。在嵌锂过程中，锰酸锂体积变化率为6.2%，大于镍锰酸锂4.8%。这说明镍锰酸锂在嵌锂过程中结构更稳定。Ni元素的掺杂可以减少三价锰离子的浓度，从而抑制MnO6八面体的JT畸变，提高晶体结构在电场充放电过程的稳定性。这与我们实验结果是一致的，即体相掺杂和表面包覆Ni元素可以提高锰酸锂高温循环性能。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 锂电池概况

1.3 LiMn2O4正极材料

1.4 第一性原理计算方法概述

1.5 本文主要研究内容及创新

第二章 实验部分

2.1 实验原料及仪器

2.2 实验方法

2.3 材料表征

2.4 电化学性能测试

第三章 LiNi1/2Mn3/2O4改性尖晶石LiMn2O4

3.1 XRD分析

3.2 SEM及EDS分析

3.3 TEM分析

3.4 改性尖晶石电化学性能分析

3.5 CV及EIS分析

3.6 本章小结

第四章 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2改性尖晶石LiMn2O4

4.1 改性尖晶石的结构分析

4.2 电化学性能测试

4.3 本章小结

第五章 锰酸锂和镍锰材料磁性和结构研究

5.1 计算参数

5.2 LiMn2O4结构和LiNi1/2Mn3/2O4结构

5.3 Li+嵌入对LiMn2O4影响的研究

5.4 Li+嵌入对LiNi1/2Mn3/2O4影响的研究

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢