锂离子电池正极材料Li-Mn尖晶石的合成与改性

摘要

锂离子电池正极材料尖晶石LiMn2O4具有高电压、高安全性、低污染、低成本、资源丰富等优点，成为新一代锂离子电池正极材料的研究热点。但是其初始容量低，循环衰减快等因素阻碍了它的商业化进程。本文的主要工作是应用传统的高温固相法合成锂锰尖晶石正极材料，在优化的工艺参数条件下采用掺杂的方法对其改性，提高其循环性能，为工业生产提供依据。对目前在工业生产中应用较少的包覆手段进行了探讨，为包覆法在工业生产中的应用提供了依据。 本文首先采用传统的高温固相法合成了纯相的尖晶石材料。通过对比不同煅烧温度，不同煅烧时间和不同锂锰比合成材料的电化学性能发现，在800℃下，煅烧12h合成的锂锰比为1.08:2的尖晶石材料具有最好的电化学性能。 在优化的合成条件下，对尖晶石材料做了不同阳离子掺杂和阴、阳离子共掺杂的研究。阳离子掺杂分为镁离子和稀土铈离子的掺杂。阴、阳离子的掺杂为氟离子与铝离子的共掺杂。结果表明，在掺杂不同量镁离子的材料中，LiMg0.06Mn1.94O4具有最优的电化学性能；在掺杂不同量稀土铈离子的材料中，LiCe0.02Mn1.98O4材料性能最好。合成的阴、阳离子共掺杂材料LiMn1.95Al0.05F005O3.95也具有良好的循环性能，说明阴、阳离子的共掺杂是提高尖晶石材料性能的有效方法。 对尖晶石材料的包覆研究主要采用碳酸锂和氧化铝作为包覆材料。对于碳酸锂包覆，主要考察了不同包覆量对材料电化学性能的影响。对于氧化铝包覆，主要探讨了不同包覆方法对材料性能的影响。结果表明，在相同的合成条件下，碳酸锂的包覆量为0.5％时，合成的材料具有最好的循环性能。采用不同包覆方法合成的材料中，用CMC聚合氧化铝包覆法得到的尖晶石正极材料循环性能较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2锂离子电池工作原理

1.3正极材料研究进展

1.4尖晶石LiMn2O4材料的研究

1.4.1尖晶石LiMn2O4材料的合成方法

1.4.2尖晶石LiMn2O4材料的衰减原因

1.4.3尖晶石LiMn2O4材料的掺杂研究进展

1.4.4尖晶石LiMn2O4材料的包覆研究进展

1.5本文主要研究内容

第二章实验部分

2.1合成实验所需仪器设备及化学试剂

2.1.1实验设备

2.1.2实验试剂及材料

2.2 LiMn2O4材料及其改性材料的合成

2.2.1LiMn2O4的合成

2.2.2掺杂LiMn2O4的合成

2.2.3包覆LiMn2O4的合成

2.3材料结构与形貌表征

2.4电化学测试及性能

第三章LiMn2O4材料的合成与性能研究

3.1不同煅烧温度对正极材料LiMn2O4的性能影响

3.1.1不同煅烧温度合成的LiMn2O4材料的XRD图

3.1.2不同煅烧温度合成的LiMn2O4材料的电化学性能

3.1.3不同煅烧温度合成的LiMn2O4材料的SEM图分析

3.2不同煅烧时间对正极材料LiMn2O4的性能影响

3.2.1不同煅烧时间合成的LiMn2O4材料的XRD分析

3.2.2不同煅烧时间合成的LiMn2O4材料的电化学性能

3.2.3不同煅烧时间合成的LiMn2O4材料的SEM图分析

3.3不同锂锰比对正极材料LiMn2O4的性能影响

3.3.1不同锂锰比材料的XRD分析

3.3.2不同锂锰比材料的电化学分析

3.3.3不同锂锰比材料的SEM分析

3.4小结

第四章掺杂对LiMn2O4材料的性能研究

4.1 Mg掺杂对正极材料LiMn2O4的性能影响

4.1.1 LiMgxMn2-xO4的XRD图谱

4.1.2 LiMgxMn2-xO4的电化学性能

4.1.3 LiMgxMn2-xO4的SEM图分析

4.2稀土离子Ce掺杂对正极材料LiMn2O4的性能影响

4.2.LiCexMn2-xO4的XRD图谱

4.2.2 LiCexMn2-xO4(x=0～0.03)的电化学性能分析

4.2.3 LiCexMn2-xO4的SEM图分析

4.3阴(F)阳(Al)离子共掺杂对正极材料LiMn2O4的性能影响

4.3.1共掺杂LiMn1.95Al0.05F0.05O3.95材料的XRD图谱

4.3.2共掺杂LiMn1.95Al0.05F0.05O3.95材料的电化学性能

4.3.3共掺杂LiMn1.95Al0.05F0.05O3.95材料的SEM图分析

4.4小结

第五章包覆对LiMn2O4材料的改性研究

5.1 Li2CO3包覆对LiMn2O4材料性能的研究

5.1.1 Li2CO3(包覆比为0～3％)包覆对LiMn2O4材料的XRD图

5.1.2 Li2CO3(包覆比为0～3％)包覆对LiMn2O4材料的电化学性能

5.1.3 Li2CO3(包覆比为0～3％)包覆对LiMn2O4材料的SEM图分析

5.2 Al2O3包覆对LiMn2O4材料性能的研究

5.2.1不同包覆方法包覆Al2O3的XRD图

5.2.2不同包覆方法包覆Al2O3的LiMn2O4材料的电化学性能

5.2.3不同包覆方法包覆Al2O3的LiMn2O4材料的SEM图分析

5.3 小结

第六章结论

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文