尖晶石锰酸锂掺杂稀土金属改性的研究

论文摘要

尖晶石型锰酸锂具有无毒、能量密度高等特点，是下一代锂离子电池最有前途的正极材料之一。但在充放电循环过程中，由于锰的溶解、电解液分解以及Jahn-Teller效应等原因，尖晶石型锰酸锂的比容量衰减较快。本文主要研究了锂离子电池正极材料尖晶石型锰酸锂的离子掺杂改性，以改善材料的结构和电化学性能。（1）采用离子半径比Mn3+大，但有着比Mn-O键强很多的金属—氧键和更强八面体场择位能的La3+和Sm3+对尖晶石锰酸锂进行单一元素掺杂改性。比较分析了La3+和Sm3+不同浓度掺杂所得LiMn2-xMxO4（M为所掺杂的离子）尖晶石锰酸锂的结构特征和电化学性能。实验表明，通过选择适量的离子掺杂，可以使掺杂后的锰酸锂结构更加稳定，电化学循环性能提高，但是掺杂离子的量不能太多，对于本文所选用的两种掺杂元素，掺杂的量都应该控制在x=0.02以下。比较发现，所得材料中，电化学循环性能最好的是：LiMn1.98La0.02O4和LiMn1.99Sm0.01O4，首次充放电容量分别为120mAh·g-1和118.8mAh·g-1，50次充放电循环之后放电容量仍保持在105.7mAh·g-1和107mAh·g-1。（2）合成了二元掺杂的锂离子电池正极材料LiM1xM2yMn2-x-yO4（M1=Ni，Al，Co；M2=La，Sm）。使用X-射线衍射光谱（XRD）和扫描电镜（SEM）分析了正极材料的结构和形貌，实验结果表明：所合成的产物呈现出良好的尖晶石型结构，颗粒分布均匀；充放电测试表明：掺杂不同元素对锰酸锂电化学性能影响很大，对比发现LiCo0.08La0.02Mn1.9O4在3.0～4.3V电压区间内，电化学性能最好，首次放电容量达120mAh·g-1，50次充放电循环后放电容量为mAh·g-1，容量衰减为7％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 锂离子电池的发展
• 1.2 锂离子电池的充放电机理
• 1.3 锂离子电池的组成
• 1.3.1 锂离子电池的负极材料
• 1.3.2 锂离子电池电解液
• 1.3.3 锂离子电池隔膜
• 1.3.4 锂离子电池正极材料
• 2O₄的研究'>1.4 锂离子电池正极材料LiMn₂O₄的研究
• 2O₄合成的研究'>1.4.1 锂离子电池正极材料LiMn₂O₄合成的研究
• 2O₄正极材料电化学容量衰减机理分析'>1.4.2 LiMn₂O₄正极材料电化学容量衰减机理分析
• 2O₄改性的研究进展'>1.4.3 尖晶石LiMn₂O₄改性的研究进展
• 1.4.4 稀土元素在锂离子正极材料中的应用
• 1.5 本课题研究主要内容
• 第二章 单一稀土元素掺杂尖晶石型锰酸锂的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 稀土La、Sm掺杂正极材料尖晶石型锰酸锂的制备
• 2.2.4 X-射线衍射（XRD）分析
• 2.2.5 实验电池装备
• 2.2.6 电化学性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2-xLa_xO₄的X射线衍射分析'>2.3.1 LiMn_2-xLa_xO₄的X射线衍射分析
• 2-xLa_xO₄的电化学性能'>2.3.2 不同浓度La掺杂LiMn_2-xLa_xO₄的电化学性能
• 2-xSm_xO₄的X射线衍射分析'>2.3.3 LiMn_2-xSm_xO₄的X射线衍射分析
• 2-xSm_xO₄的电化学性能'>2.3.4 不同浓度Sm掺杂LiMn_2-xSm_xO₄的电化学性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 二元掺杂尖晶石型锰酸锂的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• xM2_yMn_2-x-yO₄的制备'>3.2.3 二元掺杂的尖晶石型LiM1_xM2_yMn_2-x-yO₄的制备
• 3.2.4 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.2.5 SEM分析.
• 3.2.6 实验电池装备
• 3.2.7 电化学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• xM2_yMn_2-x-yO₄结构的影响'>3.3.1 掺杂元素对尖晶石型LiM1_xM2_yMn_2-x-yO₄结构的影响
• xM2_yMn_2-x-yO₄微观形貌的分析'>3.3.2 二元掺杂的LiM1_xM2_yMn_2-x-yO₄微观形貌的分析
• xM2_yMn_2-x-yO₄电化学性能'>3.3.3 二元掺杂LiM1_xM2_yMn_2-x-yO₄电化学性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究的成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书