锂离子二次电池正极材料LiNi0.5Mn0.5O2的制备及掺杂改性

论文摘要

以Ni、Mn为主的固溶体材料LiNi0.5Mn0.5O2具有制备条件温和、材料成本低、电化学性能和循环性能优良等特点,其合成与性能的研究已经成为锂离子电池正极材料领域的一个重要的研究方向。论文分别用溶胶凝胶法和碳酸盐共沉淀法合成了LiNi0.5Mn0.5O2材料。并根据碳酸盐共沉淀法合成材料性能好、成本低、过程易于控制的特点,重点对碳酸盐共沉淀法合成LiNi0.5Mn0.5O2及其掺杂改性进行了研究。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重-差热分析（TG-DTA）、电感耦合等离子体光谱（ICP）、循环伏安（CV）、电化学阻抗谱（EIS）等多种测试手段表征该体系材料的性能,研究了滴加次序、氨水、锂源、烧结温度、烧结时间等对材料结构和电化学性能的影响,优化了合成工艺。进一步尝试了对材料进行Mg掺杂改性,研究了富Li条件对材料性能的影响。实验结果表明,将过渡金属盐混合溶液滴加到饱和Na2CO3沉淀液中,以Li2CO3为锂源,在900℃烧结12h制备的LiMn0.5Ni0.5O2材料为α-NaFeO2层状结构固溶体,产物颗粒均匀且电化学性能最好。在2.8～4.6V之间,40mA/g的充放电电流密度下其可逆比容量达136.22mAh/g。LiNi0.5Mn0.5-xMgxO2的XRD结果表明,当x≤0.1时材料为α-NaFeO2层状结构固溶体,Mg的掺杂可以稳定材料结构。SEM测试结果表明,Mg的掺杂使材料的形貌改变。其中LiNi0.5Mn0.45Mg0.05O2材料的粒径最小,粒径范围在200～400nm之间,电化学性能最好,在40mA/g的充放电电流密度下其可逆比容量达152.66mAh/g,50次循环后几乎无衰减。SEM观察富Li能改变产物的表面形貌。Li1.2Ni0.5Mn0.5O2在40mA/g的充放电电流密度下其可逆比容量达177.24mAh/g,50次循环后几乎无衰减;在200mA/g的放电电流密度下其可逆比容量达149.67mAh/g,10次循环后比容量保持在133.71mAh/g左右,且能有效减小电池的电化学阻抗。富锂有助于提高产物的电化学性能和倍率性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂离子电池的发展
• 1.3 锂离子电池的工作原理及特点
• 1.4 锂离子二次电池正极材料研究进展
• 2）'>1.4.1 氧化钴锂（LiCoO₂）
• 2）'>1.4.2 层状氧化锰锂（LiMnO₂）
• 2）'>1.4.3 氧化镍锂（LiNiO₂）
• 1.4.4 复合氧化物
• 2O₄'>1.4.5 尖晶石LiMn₂O₄
• 4'>1.4.6 橄榄石型LiFePO₄
• 1.4.7 其他正极材料
• 1.5 课题研究的内容和意义
• 第2章 实验仪器及研究方法
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂及规格
• 2.1.2 实验设备及测试仪器
• 2.2 电极材料的制备及电池的组装
• 2.2.1 正极活性物质的制备
• 2.2.2 纽扣式电池的组装
• 2.3 材料的物性表征
• 2.3.1 热重-差热分析（TG-DTA）
• 2.3.2 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.4 电感耦合等离子体光谱（ICP）
• 2.4 材料电化学性能测试
• 2.4.1 充放电性能测试
• 2.4.2 循环伏安测试（CV）
• 2.4.3 电化学阻抗测试（EIS）
• 0.5Mn（0.5）O₂材料的合成与表征'>第3章 LiNi_0.5Mn（0.5）O₂材料的合成与表征
• 3.1 共沉淀法和溶胶凝胶法比较
• 3.1.1 不同方法合成材料的热分析比较
• 3.1.2 两种方法的X 射线衍射分析（XRD）比较
• 3.1.3 两种方法合成材料的充放电测试
• 3.2 碳酸盐共沉淀法制备材料的工艺研究
• 3.2.1 滴加次序的影响
• 3.2.2 氨水的影响
• 3.2.3 不同锂源的影响
• 3.2.4 不同烧结温度的影响
• 3.2.5 不同烧结时间的影响
• 3.3 本章小结
• 0.5Mn（0.5）O₂材料的掺Mg 改性'>第4章 LiNi_0.5Mn（0.5）O₂材料的掺Mg 改性
• 4.1 合成掺Mg 材料的工艺研究
• 0.5Mn_0.5-xMg_xO₂ 的物性表征'>4.2 LiNi_0.5Mn_0.5-xMg_xO₂的物性表征
• 4.2.1 材料的X 射线衍射测试
• 4.2.2 材料的扫描电子显微镜测试
• 4.2.3 材料的电感耦合等离子体光谱测试
• 0.5Mn_0.5-xMg_xO₂ 的电化学性能测试'>4.3 LiNi_0.5Mn_0.5-xMg_xO₂的电化学性能测试
• 4.3.1 材料的放电性能测试
• 4.3.2 材料的循环伏安性能测试
• 4.3.3 材料的电化学阻抗谱测试
• 0.5Mn_0.45Mg_0.05O₂ 的放电性能研究'>4.3.4 LiNi_0.5Mn_0.45Mg_0.05O₂的放电性能研究
• 4.4 本章小结
• 1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂的制备及性能研究'>第5章 Li_1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂的制备及性能研究
• 1.4Ni_0.5Mn（0.5）O₂ 工艺研究'>5.1 Li_1.4Ni_0.5Mn（0.5）O₂工艺研究
• 1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂ 的物性表征'>5.2 Li_1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂的物性表征
• 5.2.1 材料的X 射线衍射测试
• 5.2.2 材料的扫描电子显微镜测试
• 1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂ 的电化学性能测试'>5.3 Li_1+xNi_0.5Mn（0.5）O₂的电化学性能测试
• 5.3.1 材料的放电性能测试
• 5.3.2 材料的循环伏安性能测试
• 5.3.3 材料的电化学阻抗谱测试
• 1.2Ni_0.5Mn（0.5）O₂ 的放电性能研究'>5.3.4 Li_1.2Ni_0.5Mn（0.5）O₂的放电性能研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢