锂离子电池用尖晶石锰酸锂的合成、结构与性能研究

论文题目: 锂离子电池用尖晶石锰酸锂的合成、结构与性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 邹启凡

导师: 苏玉长

关键词: 锂离子电池,正极材料,尖晶石锰酸锂,熔融浸渍法,机械活化,掺杂,包覆,结构与性能

文献来源: 中南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,人们对锂离子二次电池正极材料进行了大量的研究。LiCoO2材料由于高电压、高容量和循环性能优异,目前是商业应用的主要材料。LiNiO2也被作为一种有潜力的正极材料被广泛研究。但是钴和镍价格高而且存在环境污染的问题,并且化学计量的LiNiO2合成困难。而立方尖晶石结构的LiMn2O4材料由于具有价格低廉、无毒的优点而倍受关注。但LiMn2O4作为锂离子电池正极材料,还需要改善其电化学性能。 采用液相沉淀法制备了MnCO3,MnCO3经热分解后制备Mn2O3,然后以Mn2O3为锰源,分别与氢氧化锂、硝酸锂、碳酸锂反应,采用熔融浸渍法制备尖晶石LiMn2O4。通过正交实验,考察了合成条件对锰酸锂结构的影响大小。借助XRD等分析手段,发现锂源对制备的材料的结构和相组成影响最大。以氢氧化锂为锂源能够获得杂质含量低,结晶完整的锰酸锂。电化学性能测试也表明以氢氧化锂为锂源制备的尖晶石锰酸锂的比容量和循环性能优异。 首次采用原位高温X射线衍射技术分析热处理制备锰酸锂过程中的相变,确定了在450℃开始形成尖晶石锰酸锂,在650-700℃之间出现Mn2O3杂相,到750℃时能获得较纯净的尖晶石结构LiMn2O4。但是当热处理温度高于800℃时,锰酸锂会发生从立方相向四方相的转变,使结晶有序度降低,性能下降。 利用γ-MnO2的多孔性和LiOH的水溶性,发展出液相浸注法,通过水溶液混合、超声波振荡等手段制备前驱体,随后进行热处理,获得尖晶石LiMn2O4。从形核和长大的角度看,尖晶石结构LiMn2O4宜采用两段热处理工艺合成,第一段热处理不宜低于500℃,第二段热处理工艺以750～800℃为佳。 采用机械活化与高温热处理结合的方法,以LiOH和γ-MnO2为原料制备尖晶石LiMn2O4材料。XRD结果显示,经过机械活化后的化合物是水合锂化二氧化锰。活化后的原料,由于机械能以晶体缺陷的形式储存在原料中,反应物活性增大,在低温下进行热处理,就能获得较纯净的尖晶石LiMn2O4,但是产物的结晶性差,有必要提高热处理温度,促进晶体长大和结晶完善。 熔融浸渍法制备尖晶石LiMn2O4,产物中含有的杂相较多。液相浸注法制

论文目录:

第一章 文献综述

1.1 锂离子电池概述

1.2 锂离子电池正极材料

1.2.1 锂钴氧化物

1.2.2 锂镍氧化物

1.2.3 锂镍钴氧化物

1.2.4 磷酸亚铁锂

1.2.5 尖晶石型LiMn_2O_4

1.2.5 层状结构LiMnO_2

1.2.6 其它锂锰氧化物

1.2.7 MnO_2

1.3 本研究的目的和内容

第二章 材料制备和实验研究方法

2.1 材料制备

2.2 实验研究方法

2.2.1 差热与热重分析

2.2.2 XRD分析

2.2.3 SEM分析

2.2.4 循环伏安测试

2.2.5 充放电性能测试

2.2.6 交流阻抗测试

2.2.7 粉末电阻测量

第三章 熔融浸渍法合成尖晶石LiMn_2O_4及其结构、性能研究

3.1 三氧化二锰的合成

3.2 尖晶石锂锰氧的制备和结构性能分析

3.2.1 正交实验研究材料的合成

3.2.2 材料的XRD分析

3.2.3 材料的SEM分析

3.2.4 材料的充放电测试

3.2.5 材料的循环伏安测试

3.3 本章小结

第四章 液相浸注法合成尖晶石LiMn_2O_4及其结构、性能研究

4.1 液相浸注法制备前驱体

4.2 原位高温XRD技术研究加热时前驱体的相变过程

4.3 不同热处理条件制备的LiMn_2O_4的组织结构与性能

4.3.1 试样的合成

4.3.2 材料的表观形貌观察

4.3.3 材料的恒电流充放电测试

4.3.4 材料的循环伏安测试

4.3.5 材料的电化学嵌脱锂动力学研究

4.4 本章小结

第五章 机械活化法合成尖晶石LiMn_2O_4及其结构、性能研究

5.1 材料的机械活化法制备

5.2 机械活化对原料结构的影响

5.2.1 机械活化对原料的影响

5.2.2 机械活化对原料形貌的影响

5.2.3 机械活化对原料热行为的影响

5.3 热处理温度对经过机械活化的试样的影响

5.4 掺Co对经过机械活化的试样的影响

5.5 机械活化对电化学性能的影响

5.6 本章小结

第六章 尖晶石LiMn_2O_4材料的表面改性

6.1 引言

6.2 尖晶石LiMn_2O_4表面包覆MgO及其性能

6.2.1 材料的制备

6.2.2 包覆用MgO的表征

6.2.3 MgO包覆LiMn_2O_4的组织结构分析

6.2.4 包覆MgO对尖晶石LiMn_2O_4的充放电性能的影响

6.3 尖晶石LiMn_2O_4表面包覆Al_2O_3及其性能

6.3.1 包覆方法和实验过程

6.3.2 包覆用Al_2O_3的形成与相变

6.3.4 Al_2O_3包覆层的表观形貌和成分分析

6.3.5 Al_2O_3包覆对试样充放电性能的影响

6.3.6 LiMn_2O_4包覆Al_2O_3后电极脱锂机制的研究

6.3.7 包覆Al_2O_3对尖晶石LiMn_2O_4电阻率影响

6.3.8 热处理温度对Al_2O_3包覆尖晶石LiMn_2O_4结构的影响

6.3.9 热处理温度对Al_2O_3包覆尖晶石LiMn_2O_4的电化学性能影响

6.4 本章小节

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的科研成果

发布时间: 2006-03-28

参考文献

• [1].碳酸盐沉淀法制备高电压镍锰酸锂及其电化学性能研究[D]. 薛原.哈尔滨工业大学2018
• [2].锂离子电池正极材料的合成及中试生产技术研究[D]. 彭忠东.中南大学2002
• [3].尖晶石锰酸锂正极材料的离子掺杂改性研究[D]. 冯季军.天津大学2004
• [4].尖晶石型锰酸锂正极材料的合成及电化学性能研究[D]. 卢星河.天津大学2005
• [5].动力锂离子电池正极材料锰酸锂的开发及应用研究[D]. 张娜.天津大学2005
• [6].锰酸锂—石墨电池容量衰减过程及其调控方法的研究[D]. 詹纯.清华大学2013
• [7].锂离子电池正极材料橄榄石型磷酸亚铁锂及尖晶石型高电位镍锰酸锂的制备及性能研究[D]. 李明娟.东北师范大学2013
• [8].浆料喷雾干燥法制备球形锰酸锂正极材料及其改性研究[D]. 蒋庆来.中南大学2011
• [9].锂离子电池正极锰系材料的制备与性能研究[D]. 姜倩倩.天津大学2014
• [10].动力锂离子电池正极材料锰酸锂的合成及性能研究[D]. 李卫.北京科技大学2017

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