尖晶石锰酸锂正极材料的合成及其电化学特性研究

论文摘要

近年来,锂离子电池正极材料尖晶石LiMn2O4受到人们的普遍关注。尖晶石LiMn2O4工作电压高、能量密度高、安全性好、原材料来源丰富、价格低廉、无毒性、环境友好,是下一代锂离子电池正极材料的有力候选者之一。然而,尖晶石LiMn2O4在循环过程中容量的迅速衰减严重制约了其广泛应用。目前的研究主要通过合成方法的优化、表面处理及元素掺杂等方法来改善尖晶石LiMn2O4的循环性能,取得了一定进展。本论文首先用水热法在不同反应温度下保温12 h合成了纳米MnO2前驱体,然后将其与Li2CO3混合,用固相法合成了尖晶石LiMn2O4,系统地研究了合成过程中MnO2前驱体、烧结温度及烧结时间对尖晶石LiMn2O4产物电化学性能的影响。在优化工艺条件的基础上,采用FePO4表面包覆对尖晶石LiMn2O4材料进行了改性。实验中通过TG/DTA技术分析材料的热稳定性,使用XRD、SEM、HRTEM、EDAX对材料的结构、形貌及组成元素进行表征,利用电池测试系统、循环伏安技术、交流阻抗技术研究活性材料的电化学特性。研究表明:采用水热法能够合成不同晶型且颗粒尺寸、微观形貌存在一定差异的MnO2,当反应温度为120℃,保温12 h时,所得β-MnO2具有由细长的棒状单体组成的球形形貌,以其为前驱体通过固相烧结得到的LiMn2O4结晶性好,颗粒尺寸小,并且保持了球形形貌,电化学性能最好;在固相法合成尖晶石LiMn2O4材料的过程中,烧结温度和烧结时间也是影响最终产物电化学性能的重要因素,当烧结温度为750℃,烧结时间为20 h时所得LiMn2O4材料的电化学性能最佳。采用FePO4对尖晶石LiMn2O4进行表面包覆有效的提高了材料的循环性能。其中,包覆1wt.% FePO4的LiMn2O4电化学性能最好,在1 C下首次放电比容量达117.2 mAh/g,100个循环后放电比容量还保持有98.4 mAh/g,容量保持率达84.0%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 锂离子电池的概述
• 1.3 锂离子电池正极材料
• 20₄ 正极材料研究进展'>1.4 LiMn₂0₄正极材料研究进展
• 1.5 选题依据和研究内容
• 2 实验
• 2.1 实验试剂及设备
• 2.2 材料的合成
• 2.3 材料的表征
• 2.4 电极的制作及电池的组装
• 20₄ 正极材料电化学性能测试'>2.5 LiMn₂0₄正极材料电化学性能测试
• 20₄ 的工艺研究'>3 固相法合成尖晶石LiMn₂0₄的工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 二氧化锰简介
• 2前驱体对LiMn₂0₄ 材料电化学性能的影响'>3.3 Mn0₂前驱体对LiMn₂0₄材料电化学性能的影响
• 20₄ 材料电化学性能的影响'>3.4 烧结温度对LiMn₂0₄材料电化学性能的影响
• 20₄ 材料电化学性能的影响'>3.5 烧结时间对LiMn₂0₄材料电化学性能的影响
• 3.6 本章小结
• 20₄ 正极材料的表面包覆改性研究'>4 LiMn₂0₄正极材料的表面包覆改性研究
• 4.1 引言
• 4表面包覆对LiMn₂0₄ 材料电化学性能的影响'>4.2 FeP0₄表面包覆对LiMn₂0₄材料电化学性能的影响
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录