尖晶石锰酸锂的低温合成与性能研究

论文摘要

锂离子电池因具备优异的电化学性能，近年来得到了迅速发展。锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料、负极材料的制备和电解质及隔膜的选择，其中正极材料显得尤为重要。LiMn2O4由于电压高、价格便宜、对环境基本无污染而成为最有希望的备选正极材料之一。大量实验研究表明，制备方法和制备条件的不同会在很大程度上影响LiMn2O4材料的性能。本论文的主要目的就是探索制备LiMn2O4的最佳合成方法。本文采用了多种方法，如低温液相水热法，共沉淀法、乳化干燥法等方法制备了尖晶石锰酸锂。通过红外光谱分析来定性分析化合物原子官能团，X-射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等测试手段对样品的结构和形貌进行表征；对使用不同方法制得的尖晶石LiMn2O4的合成条件进行研究，并将制得样品组装成电池做了电化学性能测试。其中，低温液相前躯体水热法，制得晶化程度较高，晶体结构稳定，并且粒度分布较均匀，平均粒径约在500nm的LiMn2O4尖晶石超细粉末。所得的粉末样品做成电池进行电性能侧试，其首次放电容量可达130.5mAh·g-1，循环30圈后比容量仍保持在110mAh·g-1，下降幅度仅为15.71%，表现出良好的电化学性能。实验结果表明，用这种在水热前躯体法反应的制备方法可在一定程度上解决固相反应中存在的产物粒度分布不均匀，不易得到纯净、单一的LiMn2O4尖晶石的缺点。尖晶石锰酸锂材料进行掺杂改性来提高它的首次充放容量和循环性是以后课题研究的重点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 锂离子电池正极材料的研究现状简介
• 2）'>1.2.1 锂钴氧化物（ LiCoO₂）
• 2）'>1.2.2 氧化镍锂（层状 LiNiO₂）
• 2）'>1.2.3 氧化锰锂（层状 LiMnO₂）
• 1+xV₃O₈'>1.2.4 层状 Li_1+xV₃O₈
• 4'>1.2.5 正极材料 LiFePO₄
• 2O₄'>1.2.6 尖晶石 LiMn₂O₄
• 2O₄的结构'>1.2.6.1 尖晶石 LiMn₂O₄的结构
• 1.2.6.2 合成尖晶石锰酸锂的优势
• 1.2.6.3 尖晶石锰酸锂存在的问题
• 1.2.6.4 改进尖晶石锰酸锂的方法
• 1.2.7 尖晶石锰酸锂的合成方法
• 1.2.7.1 高温固相反应法
• 1.2.7.2 Pechini 法
• 1.2.7.3 溶胶 -凝胶法
• 1.2.7.4 共沉淀法
• 1.2.7.5 熔融浸渍法
• 1.2.7.6 乳胶干燥法
• 1.2.7.7 水热合成法
• 1.3 锂离子电池的工作原理
• 1.3.1 锂离子电池的特点
• 1.3.1.1 锂离子电池的优缺点
• 1.3.1.2 锂离子电池对基础材料的基本要求
• 1.3.1.3 锂离子电池正极材料
• 1.4 本课题内容
• 1.4.1 低温液相法简介
• 1.4.2 课题研究意义
• 1.4.3 课题研究的目标
• 第二章 低温液相法合成锰酸锂材料
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 低温水热合成法一
• 2.2.2 低温水热合成法二
• 2.2.3 共沉淀法合成法三
• 2.2.4 低温水热前躯体β - MnO 2 合成法四
• 2.2.5 乳化干燥法合成法五
• 2.3 材料表征方法
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 结构分析与讨论
• 3.1.1 FTIR 结果分析与讨论
• 3.2 TEM 分析与讨论
• 2O₄的 TEM 图'>3.2.1 不同方法得到 LiMn₂O₄的 TEM 图
• 3.3 SEM 分析与讨论
• 2O₄的 SEM 图'>3.3.1 不同方法得到 LiMn₂O₄的 SEM 图
• 3.4 低温水热前躯体法合成锰酸锂的 TEM - 电子衍射分析与讨论
• 3.5 低温水热前躯体法合成锰酸锂的 SEM - 能谱分析与讨论
• 3.6 XRD 分析与讨论
• 2O₄M-4 的 XRD 图谱'>3.6.1 低温水热前躯体法反应制得 LiMn₂O₄M-4 的 XRD 图谱
• 3.8 小结
• 第四章 锰酸锂的电化学性能测试
• 4.1 尖晶石型锰酸锂的电化学性质
• 4.2 电池的组成及组装
• 4.2.1 正极片的制备
• 4.2.2 负极制备
• 4.2.3 隔膜
• 4.2.4 电解液
• 4.2.5 电池壳
• 4.3 实验电池的组装及注意事项
• 4.3.1 电池组装
• 4.3.2 组装扣式电池的要求
• 4.3.3 组装扣式电池的示意图
• 4.3.4 电池组装的注意事项
• 4.4 电化学性能测试
• 4.4.1 充放电循环性能
• 4.4.2 测试的仪器及参数设置
• 4.5 电池的电化学测试
• 2O₄正极材料首次充放电'>4.5.1 合成的 LiMn₂O₄正极材料首次充放电
• 2O₄正极材料循环性电化学测试'>4.5.2 合成的 LiMn₂O₄正极材料循环性电化学测试
• 4.6 锰酸锂正极材料电化学容量衰减分析
• 4.7 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢