高电压LiNi0.5Mn1.5O4电极材料的合成

摘要

新能源动力汽车的大力发展，带动了开发高能量密度、高功率密度锂离子动力电池的研究热潮。在锂离子电池中，正极材料的成本约占电池的44%，可见开发高性能的正极材料是促进锂离子动力电池发展的关键。尖晶石型 LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）正极材料因具有4.7V高电压平台、高理论能量密度（约650Wh kg-1）、三维锂离子通道以及环境友好等优势，是目前高功率、高能量密度正极材料的研究热点之一。因此，本文以开发高能量密度的尖晶石型LNMO正极材料为目标，期望通过形貌控制以及包覆改性的手段，制备兼具高能量密度和循环稳定性的尖晶石型LNMO正极材料。论文主要研究内容和结果如下：　　（1）采用共沉淀与高温固相反应相结合的方法，选择不同的锂源（Li2CO3和LiOH）制备两种纳微球形LNMO正极材料（LNMO1和LNMO2），研究锂源对产物LNMO材料电化学性能的影响。测试结果表明：锂源对LNMO的微观形貌和晶体结构均有一定的影响，进而影响其放电容量和循环稳定性。其中，锂源为LiOH的LNMO2正极材料具有更好的电化学性能。在1 C充放电时，LNMO2正极材料的首次放电容量为116.9 mAh g-1。经过400次循环后，其放电容量保持为110.2 mAh g-1。　　（2）通过共沉淀法制备Li1.2Ni0.2Mn0.6O2（LIR）层状材料作为LNMO的包覆改性材料，并探究不同煅烧气氛（氧气和空气）对产物 LIR 材料电化学性能的影响。测试结果表明：在氧气气氛下制备的层状Li1.2Ni0.2Mn0.6O2（LIR-O）材料因其纳微球结构以及较低的锂镍混排程度展现出更优的电化学性能。LIR-O层状材料在0.1C电流密度下的首次放电容量为246.5 mAh g-1，库伦效率可达86.45%。经过110次恒电流充放电循环后，其放电容量仍保持为240.3 mAh g-1，容量保持率达97.4%。　　（3）采用LIR-O材料的合成工艺对LNMO进行表面包覆改性，制备LNMO@LIR材料，并对其进行电化学性能研究。测试结果表明：LIR包覆层增加了LNMO主体材料中的可脱嵌锂离子，减少了该材料表面的Mn3+，有利于降低电极材料的溶解。在较小电流密度下（0.5 C），LNMO@LIR材料比LNMO具有更高的放电比容量和更优的循环稳定性。在1 C充放电时，LNMO@LIR材料的首次放电容量为125.99 mAh g-1。经过300次循环后，其放电容量保持为116.34 mAh g-1，容量保持率为92.3%。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.2.1 锂离子电池的工作原理

1.2.2 锂离子电池发展概况

1.3 锂离子正极材料概述

1.3.1 层状结构正极材料

1.3.2 橄榄石型正极材料

1.3.3 尖晶石型正极材料

1.4 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的研究进展

1.4.1 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的结构特点

1.4.2 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备方法

1.4.3 LiNi0.5Mn1.5O4的缺陷及改性方法

1.5 论文的研究内容与意义

2 实验材料和研究方法

2.1 实验试剂与仪器设备

2.1.1 实验试剂

2.1.2 仪器设备

2.2 材料的物理表征

2.2.1 X射线衍射（XRD）

2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）

2.2.3 拉曼光谱（Raman）

2.2.4 透射电子显微镜（TEM）

2.2.5 X射线光电子能谱（XPS）

2.3 电化学性能测试

2.3.1 电池制备

2.3.2 恒电流充放电测试

2.3.3 倍率性能测试

2.3.4 交流阻抗测试（EIS）

3 纳微球形LNMO的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料表征

3.3.2 电化学性能测试

3.4 本章小结

4 LNMO用包覆材料LIR的制备及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.3.1 材料表征

4.3.2 电化学性能测试

4.4 本章小结

5 LNMO@LIR材料的制备及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.3.1 材料表征

5.3.2 电化学性能测试

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果