论文题目: 动力锂离子电池正极材料锰酸锂的开发及应用研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 应用化学
作者: 张娜
导师: 唐致远
关键词: 锂离子电池,动力电池,正极材料,尖晶石锰酸锂,改性,循环性能,安全性能
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文的主要工作是通过高温固相法合成改性的动力锂离子电池正极材料尖晶石型锰酸锂,并将所研制的材料进行中试研究。主要采用阴阳离子复合掺杂和碳包覆以及钴酸锂改性的方式来提高锰酸锂的性能,并采用自制材料研制了性能良好的18650S型动力电池。研究工作主要从以下几个方面展开:系统地研究了几种阳离子单元掺杂时,不同掺杂浓度对合成产物的物相结构和电化学性能的影响。采用离子半径比Mn3+大,但有着比Mn-O键强很多的M-O键的元素Zr和稀土元素La、Ce和Nd对尖晶石锰酸锂进行单元掺杂改性,取得了很好的效果,稀土元素的掺杂可改善材料的高温（55℃）循环性能。对尖晶石锰酸锂进行了二元阳离子组合掺杂,进一步改善了材料的电化学性能。对尖晶石锰酸锂进行了阴阳离子的多元复合掺杂改性,通过筛选掺杂元素的组合方案和控制掺杂的量,制备出了既具有高的初始容量又有良好的常温和高温循环性能的尖晶石型锰酸锂正极材料LiCo0.02La0.01Mn1.97O3.98Cl0.02。并初步研究了5V锰酸锂材料的性能。研究了锰酸锂正极材料的中试制备工艺,并研究了粒径对正极材料性能的影响,所制备的材料性能达到小试时的水平。首次利用葡萄糖和聚乙烯醇为碳源,合成了碳包覆的掺杂型锰酸锂复合材料,提高了材料的放电平台和放电容量;制备出性能优良的钴酸锂,利用直接混合和高温处理混合的方式进一步改善了锰酸锂的性能,当锰酸锂和钴酸锂以90 : 10的质量比混合时,可以发挥二者共同的优势,当二者以90 : 5的质量比混合并通过高温处理后的材料,具有较高的比容量和最佳的常温和高温循环稳定性。研究自制产品为正极材料的电动工具用动力18650S-1300mAh电池的制作工艺,所制作的电池具有良好的倍率性能和常温及高温循环性能,并通过了一系列的安全测试。最后探讨了动力锂离子电池中的不安全因素、爆炸机理和防爆措施,并从机理上解释了锰酸锂材料的安全性和实用性,指出研究开发性能更稳定的正极材料是解决动力电池安全性问题的重要方向。
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 锂离子电池的发展历史
1.2 锂离子电池的原理结构、特征及分类
1.3 锂离子电池正极材料的研究进展
1.3.1 LiCoO_2 正极材料
1.3.2 LiNiO_2 正极材料
1.3.2.1 LiNiO_2 的结构与合成
1.3.2.2 LiNiO_2 的掺杂改性与表面包覆
1.3.3 层状锰酸锂正极材料
1.3.4 尖晶石锰酸锂正极材料
1.3.4.1 尖晶石锰酸锂晶体结构和充放电机理
1.3.4.2 尖晶石锰酸锂的合成方法
1.3.4.3 LiMn_2O_4 的容量衰减机理及对策
1.3.5 其它正极材料
1.4 锂离子电池负极材料的研究进展
1.5 锂离子电池电解质的研究进展
1.5.1 液体电解质
1.5.2 聚合物电解质
1.6 动力型锂离子电池的研究进展
1.7 本课题意义及内容安排
第二章 尖晶石锰酸锂的掺杂改性研究
2.1 引言
2.1.1 阴离子掺杂
2.1.2 阳离子掺杂
2.1.2.1 阳离子掺杂的研究现状
2.1.2.2 掺杂离子的选择标准
2.2 实验方法
2.2.1 实验药品和仪器
2.2.2 材料的制备
2.2.3 实验电池的装配
2.2.4 X 射线衍射(XRD)
2.2.5 环境扫描电子显微镜(ESEM)
2.2.6 激光粒径分布测试(LPSD)
2.2.7 电感耦合等离子体(ICP)原子发射光谱分析
2.2.8 实验电池充放电性能测试
2.2.9 循环伏安测试(CV)
2.2.10 交流阻抗测试(EIS)
2.2.11 傅立叶红外光谱分析(FTIR)
2.3 实验结果与讨论
2.3.1 单元Zr 掺杂LiMn_2O_4 性能的研究
2.3.1.1 LiMn_(2-x)Zr_xO_4 的晶体结构
2.3.1.2 材料的ESEM 分析
2.3.1.3 LiMn_(2-x)Zr_xO_4 的电化学性能
2.3.1.4 小结
2.3.2 稀土元素La、Ce、Nd 掺杂LiMn_2O_4 性能的研究
2.3.2.1 LiMn_(2-x)Re_xO_4 的晶体结构
2.3.2.2 电化学性能
2.3.2.3 小结
2.3.3 二元掺杂尖晶石LiMn_2O_4 的性能研究
2.3.3.1 晶体结构
2.3.3.2 电化学性能研究
2.3.3.3 小结
2.3.4 阴阳离子复合掺杂锰酸锂的研究
2.3.4.1 材料的结构和物理性能分析
2.3.4.2 材料的电化学性能分析
2.3.4.3 小结
2.3.5 5V 锰酸锂正极材料的初步研究
2.3.5.1 材料的结构分析
2.3.5.2 样品LiMn_(2-x)Ni_xO_4 和LiMn_(2-x)Cr_xO_4 电化学性能的研
2.4 本章结论
第三章 锰酸锂材料的中试研究
3.1 引言
3.2 实验方法
3.2.1 实验药品和仪器
3.2.2 材料的制备
3.2.3 实验电池的装配
3.2.4 X 射线衍射(XRD)
3.2.5 激光粒径分布测试(LPSD)
3.2.6 实验电池充放电性能测试
3.2.7 材料的比表面积测试
3.2.8 材料的振实密度测试
3.3 实验结果与讨论
3.3.1 材料合成条件的确定
3.3.2 粒径对材料性能的影响
3.3.2.1 中试产品的晶体结构及物理性能
3.3.2.2 各样品的恒电流充放电测试
3.4 本章结论
第四章 掺杂型尖晶石材料的碳包覆研究
4.1 引言
4.2 实验方法
4.2.1 实验药品和仪器
4.2.2 X 射线衍射(XRD)
4.2.3 环境扫描电子显微镜(ESEM)
4.2.4 激光粒径分布测试(LPSD)
4.2.5 实验电池的装配
4.2.6 实验电池充放电性能测试
4.2.7 交流阻抗测试(EIS)
4.3 实验结果与讨论
4.3.1 样品的制备
4.3.2 晶体结构形貌及碳含量的测定
4.3.3 材料的充放电循环性能
4.3.4 样品的交流阻抗测试
4.4 本章结论
第五章 钴酸锂对锰酸锂的改性研究
5.1 前言
5.2 实验方法
5.2.1 实验药品和仪器
5.2.2 X 射线衍射(XRD)
5.2.3 激光粒径分布测试(LPSD)
5.2.4 环境扫描电子显微镜(ESEM)
5.2.5 傅立叶红外光谱分析(FTIR)
5.2.6 样品的热分析
5.2.7 实验电池的装配
5.2.8 实验电池充放电性能测试
5.3 实验结果与讨论
5.3.1 钴酸锂正极材料的制备与性能
5.3.1.1 样品制备
5.3.1.2 样品的结构与性能
5.3.1.3 小结
5.3.2 锰酸锂与钴酸锂机械混合的研究
5.3.2.1 样品的混合
5.3.2.2 两种样品的物性分析
5.3.2.3 混合样品的电化学性能分析
5.3.2.4 小结
5.3.3 钴酸锂对锰酸锂正极材料的改性研究
5.3.3.1 材料的晶体结构分析及热分析
5.3.3.2 材料的电化学性能
5.3.3.3 小结
5.4 本章结论
第六章 锰酸锂动力电池18650S 的研制
6.1 引言
6.2 实验方法
6.2.1 实验原料和仪器
6.2.2 正负极片的制作
6.2.3 电池的组装及其工艺
6.2.4 电池的化成与充放电性能测试
6.2.5 电池的交流阻抗测试
6.2.6 电池的安全测试
6.3 实验结果与讨论
6.3.1 正极制作工艺的确定
6.3.1.1 粘接剂PVDF 对锰酸锂正极材料性能的影响
6.3.1.2 压实密度对锰酸锂正极材料性能的影响
6.3.2 18650S 电池的性能测试
6.3.2.1 电池的充放电循环测试
6.3.2.2 电池的交流阻抗测试
6.4 锂离子电池爆炸机理探讨
6.4.1 锂离子电池的安全性能测试
6.4.1.1 重物冲击试验
6.4.1.2 热冲击试验
6.4.1.3 过充试验
6.4.1.4 针刺试验
6.4.1.5 短路试验
6.4.2 锂离子电池不安全因素的分析
6.4.2.1 锂离子电池过充时的不安全行为
6.4.2.2 锂离子电池在高温下发生的反应
6.4.2.3 其它因素引起的放热
6.4.2.4 锂离子电池的热力学模型
6.4.2.5 锂离子电池中放热反应总结
6.4.3 锂离子电池的爆炸机理
6.4.3.1 过充引起的爆炸
6.4.3.2 热冲击引起的爆炸
6.4.3.3 大电流引起的爆炸
6.4.4 解决锂离子电池安全性问题的措施
6.4.4.1 保护装置法
6.4.4.2 电解液添加剂
6.4.4.3 锂离子电池自身安全性设计
6.4.4.4 LiMn_2O_4 正极材料稳定的机理分析
6.5 本章结论
第七章 结论
参考文献
攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况
致谢
发布时间: 2007-07-10
参考文献
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- [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
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