锂离子电池正极材料层状锂锰复合氧化物的研究

摘要

本文针对层状锂锰氧化合物作为锂离子电池正极材料存在的难点,较系统地研究了其制备方法,在此基础上探索了新的制备工艺;为了得到电化学性能更为优良的正极材料,对材料进行了掺杂改性研究.主要结果归纳如下:在制备方法方面,首先采用高温固相法、溶胶-凝胶法和离子交换法制备了LiMnO<,2>,考察了LiMnO<,2>正极材料的电化学性能,比较了不同制备方法的优缺点.掺杂单一组分对层状锰酸锂性能的影响:掺杂Co有助于改善正极材料的循环稳定性,但是LiMn<,1-x>Co<,x>O<,2>(0≤x≤0.25)在电化学循环过程中仍然衰变为尖晶石相,其相变速度依赖于钴的含量;正极材料的比容量随着Co的含量增加而下降.掺入Ni可以提高锰的平均价态,但是掺杂后的LiMn<,1-x>Ni<,x>O<,2>(0≤x≤0.1)的电化学性能并没有明显提高,Ni<'2+>并不能有效的降低层状锰酸锂的容量衰减.在此基础上又引入了Cr、Al元素,研究了掺杂多元组分对层状锰酸锂性能的影响:当材料的组成为LiMn<,0.7>Co<,0.15>Cr<,0.15>O<,2>和LiMn<,0.7>Co<,0.15>Al<,0.15>O<,2>时,首次放电曲线即呈现尖晶石特征,在2.0-4.5V间放电容量仅稳定在60~70mAh·g<'-1>左右,循环稳定性较好.当材料的组成为LiMn<,0.6>Ni<,0.2>Al<,0.2>O<,2>时,充电曲线从第二次起在3.0V左右出现一个微小的电压平台,表明在电化学循环过程中,材料局部出现尖晶石结构;随着循环次数的增加,曲线形状没有继续发生变化,该材料具有良好循环稳定性;继续增加Al的含量,材料的比容量降低,稳定性提高.采用不同的方法合成了LiMn<,1/3>Ni<,1/3>Co<,1/3>O<,2>正极材料.对其进行XRD表征,证明为层状结构.其首次放电容量可达到120mAh·g<'-1>以上,电压-容量曲线没有出现尖晶石特征,只是充放电平台逐渐缩短,衰减严重.为了克服这一缺点,在此基础上又掺加了另一种组分Cr.掺入适量的Cr后,材料的比容量和循环稳定性都有很大程度的提高.Cr的最佳含量约为1.5﹪,室温下其首次放电比容量达130mAh·g<'-1>,并且循环性能最好.继续增大Cr的含量则会适得其反.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1前言

1.2锂离子电池的工作原理

1.3目前正极材料研究与开发概况

1.3.1主要正极材料的比较

1.3.2新一代正极材料的研究现状及进展

1.4层状锰酸锂的研究现状

1.4.1层状锰酸锂的结构和性能研究进展

1.4.2层状锰酸锂正极材料的主要合成方法

1.4.3层状锰酸锂正极材料的开发应用情况

1.4.4层状锰酸锂正极材料目前存在的问题

1.5论文开展的背景和设想

第二章实验部分

2.1主要原料和实验药品

2.2材料的制备

2.3材料的电化学性能测试

2.4材料的表征

第三章LixMnO2的制备及电化学性能研究

3.1序言

3.2 固相反应法

3.2.1材料的制备

3.2.2材料的电化学性能

3.3溶胶—凝胶（SOI-GEI）法

3.3.1材料的制备

3.3.2材料的电化学性能

3.4离子交换法

3.4.1材料的制备

3.4.2材料的电化学性能

3.5不同方法的比较

3.6本章小结

第四章LixMnO2材料的掺杂改性研究

4.1序言

4.2掺杂单一组分的影响

4.2.1掺杂Co的影响

4.2.2掺杂Ni的影响

4.3掺杂双组分的影响

4.3.1 LiMn0.7A0.15B0.15O2正极材料的电性能

4.3.2掺杂[Co+Ni]的影响

4.3.3掺杂[Ni+Al]的影响

4.4掺杂多组分的影响

4.4.1掺杂[Co+Ni+Cr]的影响

4.4.2掺杂[Co+Ni+Al]的影响

4.5本章小结

第五章层状材料LIMN1/3NI1/3CO1/3O2的制备、性能及掺杂改性研究

5.1前言

5.2 LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2材料的研究

5.2.1材料的制备

5.2.2结果与讨论

5.3掺铬材料LiMn1/3-xNi1/3-xCo1/3-xCr3xO2的研究

5.3.1掺铬材料LiMn1/3-xNi1/3-xCo1/3-xCr3xO2的制备

5.3.2材料的结构

5.3.3颗粒形貌

5.3.4材料的电化学性能

5.3.5不同x值对材料电性能的影响

5.4本章小结

第六章结论及展望

6.2展望

参考文献

发表文章和申请专利目录

致谢

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