锂离子电池正极材料Li2MnSiO4的多方法制备与掺杂改性研究

摘要

硅酸锰锂（Li2MnSiO4）作为一种高容量锂离子电池正极材料，比容量可达到330mAhg-1。同时，Li2MnSiO4的热稳定性较高、成本低廉环保。然而它的固有电子电导率低，在充/放电过程中结构不稳定，在很大程度上限制了它的实际应用。本论文分别采用不同合成方法制备Li2MnSiO4，并对合成条件条件进行了探索，在此基础上对Li2MnSiO4进行掺杂以改善其电化学性能。具体工作如下：
　　本文采用多元醇辅助的水热法合成了Li2MnSiO4/C材料，并对乙二醇和水混合溶剂中的醇/水体积比、水热反应时间、锂源、煅烧温度进行了研究。采用SEM、XRD等测试手段对材料进行表征。实验结果表明，醇/水比会影响生成物的纯度，而煅烧温度则对材料的形貌和晶粒尺寸有决定性的作用。其最佳合成条件：混合溶剂中的醇水比为25/45，180℃水热反应8天，使用氢氧化锂作为锂源，650-700℃煅烧10h。在此基础上合成出具有高比容量的Li2LaxMn(1-x)SiO4/C材料，最佳掺杂量为1at.％，首次放电容量可达到257mAhg-1。从EIS和CV结果可看出，掺杂La3+后，锂离子在材料内部的扩散速率得到提高，同时减小材料的极化。循环测试后样品的XRD和TEM测试结果表明，掺杂La3+不仅可以提高Li2MnSiO4的容量，还能够在充/放电过程中稳定Li2MnSiO4的结构，一定程度上抑制其二维层状结构的破坏，从而提高材料的活性物质利用率。
　　本文采用湿磨辅助的固相法在650℃合成了Li2MnSiO4/C材料，所需合成温度较低。所合成的Li2MnSiO4晶体结构完整，且样品形貌均一。固相法中对Li2MnSiO4分别掺杂Ti4+和Zn2+的改性研究发现，Ti4+和Zn2+都可改善材料的电化学性能。掺杂3at.%Ti4+后，材料的首次放电容量可以达到209.5mAhg-1,明显高于固相合成的未掺杂样品。同等条件下Zn2+掺杂量为3at.%时所合成样品的首次放电容量提高并不明显，但是循环性能得到改善。实验结果表明，掺杂阳离子的化合价与掺杂效果间存在重要关系。

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第一章 绪论

1. 1 引言

1. 2 锂离子电池的概述

1. 3 常见的锂离子电池正极材料

1.4 硅酸锰锂（Li2MnSiO4）正极材料

1. 5 本课题研究的内容和目的

第二章 实验部分

2. 1 主要药品、试剂及仪器

2. 2 测试表征

2. 3 电化学性能测试

第三章 多元醇辅助水热法制备Li2MnSiO4/C正极材料及性能研究

引言

3.1 多元醇辅助水热法的优化合成Li2MnSiO4/C

3. 2 本章小结

第四章 掺杂La3+对Li2MnSiO4/C正极材料电化学性能影响

引言

4.1 掺杂La3+的Li2MnSiO4的制备与性能研究

4. 2 本章小结

第五章 湿磨辅助固相法合成Li2MnSiO4/C正极材料及掺杂改性

引言

5.1煅烧温度对湿磨辅助的固相法合成Li2MnSiO4/C的影响

5.2 掺杂Ti4+和Zn2+对Li2MnSiO4电化学性能的影响

5. 3 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢