论文题目: 尖晶石LiMn2O4的制备及其电池制作技术与性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 有色金属冶金
作者: 姚耀春
导师: 戴永年
关键词: 锂离子电池,尖晶石,机械活化,离子掺杂,表面修饰
文献来源: 昆明理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着电子设备的快速发展以及能源与环境问题的日益突出,人们对化学电源提出了更高的要求。锂离子电池以其高电压、比能量大、循环寿命长,无污染等优点而得到广泛的应用。具有高插入电位的过渡金属氧化物常用作锂离子电池的正极材料,目前研究较多的是层状结构的LiCoO2、LiNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4。其中尖晶石LiMn2O4以其高电压、高安全性、低成本、易回收、对环境友好等优点而被人们公认为最具应用前景的锂离子电池正极材料之一。 本文在综述锂离子电池及其相关材料的基础上,分析了国内外尖晶石LiMn2O4的研究现状,可知LiMn2O4正极材料的不足之处在于原料的混合均匀性不好,结构不稳定,容量衰减快和循环可逆性差。尽管许多研究工作者做了大量的研究,开发了溶胶-凝胶法、融盐浸渍法、Pechini法等来制备LiMn2O4正极材料,并使材料的性能在一定程度上有所提高,但由于这些方法不是工艺复杂,就是成本较高,不适于大规模化生产。因此研究开发既能应用于工业化生产,又能制备出具有优良性能的尖晶石LiMn2O4的工艺路线依然是当前研究工作的重中之重。 为了既能适应工业化生产需要,又能改善材料性能,本文在传统固相合成法的基础上,引入机械活化的方法,采用机械活化—固相合成法制备尖晶石LiMn2O4正极材料,并采用离子掺杂和表面包覆对其进行改性研究。在此基础上对锂离子电池的制作技术和性能进行了研究,并试制了10Ah锂离子动力电池。采用TG、DSC、XRD、SEM、EDS、ICP-AES、AAS等检测手段和电化学分析方法相结合,对材料的热力学性质、物理化学性能以及电池性能进行了分析研究。 LiMn2O4合成原料的热分析表明,合成尖晶石LiMn2O4正极材料的总反应由三个分步反应组成,即Li2CO3的分解、MnO2的分解以及Li2O与Mn2O3的合成反应。采用机械活化—固相合成法可以提高原料的混合均匀性,降低反应温度,稳定晶体结构,改善产物性能。 在湿法球磨—固相合成法四因素三水平正交实验中,影响LiMn2O4电化学性能的主次因素依次为合成温度、Li/Mn摩尔比、球磨时间和恒温时间。合成原料以Li2CO3为锂源和EMD为锰源较好。烧结气氛为氧气时产物的性能较好,并对其物理和化学两方面的作用机理进行了分析。适当的制团压力可以增加颗粒的接触面积,促进反应的进行,但过大的压力会阻碍气体的溶解和扩散,从而延缓反应的进行。先加Li2CO3球磨的混料方式可以减小原料的粒度差,提高混料的均匀性,所以材
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 锂离子电池简介
1.2.1 锂离子电池的发展简史
1.2.2 锂离子电池的工作原理与特性
1.3 锂离子电池及其相关材料的应用与市场前景
1.3.1 小型锂离子电池的应用及前景
1.3.2 大型锂离子电池的应用及前景
1.3.3 锂离子电池相关材料的生产及前景
1.4 锂离子电池正极材料的研究进展
1.4.1 钴酸锂正极材料
1.4.2 镍酸锂正极材料
1.4.3 锰酸锂正极材料
1.4.4 三种正极材料的比较
1.5 尖晶石LiMn_2O_4的结构与电化学性能
1.5.1 Li-Mn-O三元系相图
1.5.2 尖晶石LiMn_2O_4的结构
1.5.3 尖晶石LiMn_2O_4的电化学性能
1.6 尖晶石LiMn_2O_4容量衰减的原因
1.6.1 锰的溶解
1.6.2 Jahn-Teller效应
1.6.3 电解液的氧化
1.6.4 合成方法及工艺的影响
1.7 本论文的研究内容及意义
第二章 实验部分
2.1 主要化学试剂
2.2 主要实验设备
2.3 材料性能测试方法
2.3.1 材料结构表征
2.3.2 材料的电化学性能测试
第三章 尖晶石LiMn_2O_4合成方法及工艺探索
3.1 引言
3.2 LiMn_2O_4合成原料的热分析
3.2.1 Li_2CO_3的热分析
3.2.2 MnO_2的热分析
3.2.3 Li_2CO_3与MnO_2合成LiMn_2O_4的热分析
3.3 尖晶石LiMn_2O_4合成方法及工艺探索
3.3.1 机械化学的基本概念与特点
3.3.1.1 高能球磨的机理及球磨方式
3.3.1.2 声化学的机理及引起反应的方式
3.3.2 尖晶石LiMn_2O_4正极材料的合成方法
3.3.3 尖晶石LiMn_2O_4正极材料的合成工艺流程
3.4 本章小结
第四章 湿法球磨—固相合成法制备LiMn_2O_4正极材料
4.1 引言
4.2 实验
4.2.1 材料合成
4.2.2 材料性能检测
4.3 湿法球磨对材料性能的影响
4.3.1 湿法球磨对原料性质的影响
4.3.2 湿法球磨对产物结构和形貌的影响
4.3.3 湿法球磨对产物电化学性能的影响
4.4 不同合成条件对材料性能的影响
4.4.1 正交实验
4.4.2 不同合成原料对材料性能的影响
4.4.3 烧结气氛对材料性能的影响
4.4.4 制团压力对材料性能的影响
4.4.5 混料方式对材料性能的影响
4.4.6 两步合成法对材料性能的影响
4.5 本章小结
第五章 超声空化—固相合成法制备LiMn_2O_4正极材料
5.1 引言
5.2 实验
5.2.1 材料合成
5.2.2 材料性能检测
5.3 超声空化对材料性能的影响
5.3.1 超声空化对原料性质的影响
5.3.2 超声空化对产物结构和形貌的影响
5.3.3 超声空化对产物粒度的影响
5.3.4 超声空化对产物电化学性能的影响
5.4 超声合成条件对材料性能的影响
5.4.1 超声频率的影响
5.4.2 超声功率的影响
5.4.3 超声时间的影响
5.4.4 超声介质的影响
5.5 本章小结
第六章 离子掺杂对尖晶石LiMn_2O_4结构与性能的影响
6.1 引言
6.2 实验
6.2.1 材料合成
6.2.2 材料性能检测
6.3 结果与讨论
6.3.1 阳离子掺杂
6.3.1.1 LiCo_xMn_(2-x)O_4的结构与性能
6.3.1.2 LiCr_xMn_(2-x)O_4的结构与性能
6.3.2 阴离子掺杂
6.3.2.1 LiMn_2O_(4-x)F_x的结构与性能
6.3.3 阴阳离子复合掺杂
6.3.3.1 LiCo_(0.09)Mn_(2-x)O_(4-x)F_x的结构与性能
6.3.3.2 LiCr_xMn_(2-x)O_(3.92)F_(0.08)的结构与性能
6.4 本章小结
第七章 表面包覆对尖晶石LiMn_2O_4结构与性能的影响
7.1 引言
7.2 包覆方法及包覆剂的选择
7.3 实验
7.3.1 材料合成
7.3.2 材料性能检测
7.4 结果与讨论
7.4.1 LiCoO_2表面包覆的影响
7.4.2 LiAlO_2表面包覆的影响
7.5 本章小结
第八章 锂离子电池制作技术及性能研究
8.1 引言
8.2 锂离子电池的组成与结构
8.2.1 电极
8.2.2 隔膜
8.2.3 电解液
8.2.4 电池壳及其它配件
8.3 方形锂离子电池生产工艺流程
8.3.1 浆料配制
8.3.2 极片涂布
8.3.3 极片辊压
8.3.4 装配工艺
8.3.4.1 卷绕
8.3.4.2 注液
8.3.4.3 密封
8.3.5 化成分选
8.4 083448方形锂离子电池材料的选择和电池设计
8.4.1 正极材料的选择
8.4.2 负极材料的选择
8.4.3 添加剂的选择与优化
8.4.4 其它材料的选择
8.4.5 083448方形锂离子电池的设计
8.5 083448方形锂离子电池的性能测试
8.5.1 化成与分选
8.5.2 外观
8.5.3 充放电性能
8.5.4 高低温性能
8.5.5 荷电保持能力
8.5.6 循环寿命
8.5.7 环境适应性
8.5.8 安全性能
8.5.8.1 引起安全隐患的因素
8.5.8.2 安全性能测试
8.5.9 贮存性能
8.6 10Ah锂离子动力电池的试制
8.7 本章小结
第九章 结论与展望
9.1 结论
9.2 结论与展望
致谢
参考文献
附录A 攻读学位期间的学术成果
附录B 科技查新报告
发布时间: 2005-10-17
参考文献
- [1].锂离子电池材料LiMn2O4及Li1.3Al0.3Ti1.7（PO4）3粉末与薄膜的合成及性质研究[D]. 吴显明.中南大学2003
- [2].掺杂和表面改性尖晶石LiMn2O4用作锂离子电池正极材料的研究[D]. 涂健.浙江大学2006
- [3].锂离子电池正极材料LiFePO4和LiMn2O4的表面结构及电化学性性能研究[D]. 尚怀芳.北京工业大学2013
- [4].一维纳米尖晶石型LiMn2O4的制备及改性研究[D]. 周红伟.北京科技大学2016
- [5].功能电解液对LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4电化学性能改善及其机理研究[D]. 吴贤文.中南大学2013
- [6].微纳结构LiMn2O4的可控合成及其电化学性能研究[D]. 丁元力.浙江大学2011
- [7].锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备与LiMn2O4的表面包覆改性研究[D]. 李继利.北京理工大学2014
- [8].LiMn2O4的电子显微学研究与Li(Ni1-x-yCoxMny)O2的合成优化[D]. 徐中领.武汉大学2013
- [9].微/纳多级结构锂离子电池电极材料的制备与性能研究[D]. 王强.合肥工业大学2012
- [10].锂离子电池的热电化学研究及其电极材料的计算与模拟[D]. 宋刘斌.中南大学2013