电池正极材料尖晶石LiMn2O4的合成及其性能的优化

论文摘要

尖晶石LiMn2O4因其放电电压高,成本低,制备工艺简单,结构稳定,绿色环保,是很有应用前景的锂离子电池正极材料。本文针对尖晶石LiMn2O4材料目前存在的问题进行了探究,得到了对其实际应用有着重要意义的发现成果。主要内容包括:1、高密度前驱体的制备:通过共沉淀和二次干燥法制备了高密度的尖晶石LiMn2O4正极材料的前驱体。并分别从滤饼含水量,烘干方式,聚沉剂的添加方式的角度对前驱体振实密度的影响进行制备工艺的改进优化。探究出了最佳制备高密度、高纯度前驱体的条件,为合成高性能尖晶石LiMn2O4正极材料提供了重要的参考。2、前驱体的不同处理方式对材料电性能的影响:通过采用共沉淀法经压滤、二次干燥制备出的锰氧化合物用作合成尖晶石LiMn2O4正极材料的前驱体,在共沉淀过程中,通过添加还原剂水合肼、通入保护气体氮气、添加氧化剂双氧水与空白试验作对比,研究了前驱体的不同处理方式对烧结合成的LiMn2O4结构与常温、高温下电化学性能的影响。实验结果表明:加入水合肼和通入氮气都能保证烧结产物LiMn2O4的纯度,并且二者结合可以有效地调产物LiMn2O4的纯度与颗粒粒径大小,并有较高的振实密度,高温高倍率下有较好的放电性能。3、电极制作细节对电池电性能的影响:在无水乙醇为分散剂进行充分研磨,并选择900oC的条件下烧结15h合成正极材料的基础上,通过改进电极的制作细节如超声波分散时间的延长,静置分层,改进碾压方式及烘干方法。实验结果证明这些细节的改进都有助于提高电池的循环性能。4、不同锰源对电池正极材料性能的影响:通过使用草酸钠法准确地测定了购买的EMD中MnO2的含量,并使用EDTA直接滴定法测定了Mn2+的含量。用金属锰片和硫酸反应制备硫酸锰溶液,不仅节约了成本而且为前驱体的合成及以后的工作提供了准确的数据,有利于以后实验步骤的科学准确地开展。我们探究了电解二氧化锰用硝酸处理与非处理,自制的硫酸锰和草酸锰对电池材料性能的影响,发现不同锰源对电池性能有着一定的影响。5、LiMn2O4的掺杂改性的研究:通过共沉淀和二次干燥法,在氮气和水合肼的保护下,通过掺杂铝离子制备前驱体,进而烧结制备尖晶石LiAlxMn2-xO4,结果表明随着掺杂铝含量的增加晶胞参数a逐渐变小,晶格的稳定性增强,虽然放电比容量和放电平台有所降低,但高温高倍率的循环性能得到提高,这有望解决锂离子电池在高温条件下容易出现的安全性问题。通过研究对比我们发现用Li2CO3制备的正极材料的振实密度相对较高,并且掺杂Al2O3的振实密度相对较高。这些性能的改进将对工业生产有着重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 锂离子电池工作原理
• 1.3 锂离子电池正极材料
• 1.3.1 锂离子电池正极材料的要求
• 1.3.2 锂离子电池正极材料的研究现状
• 1.4 本文的研究内容和创新之处
• 2O₄前驱体的制备'>第二章 高密度尖晶石LiMn₂O₄前驱体的制备
• 2O₄前驱体的制备'>2.1 高密度LiMn₂O₄前驱体的制备
• 2.1.1 实验部分
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.2 前驱体的XRD 分析
• 2.3 结论
• 2O₄正极材料电性能的影响'>第三章 前驱体的不同处理方式对尖晶石LiMn₂O₄正极材料电性能的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂
• 3.1.2 前驱体的制备与处理
• 2O₄ 的制备'>3.1.3 LiMn₂O₄的制备
• 3.1.4 样品振实密度的测定
• 2O₄ 样品的电化学性能测试'>3.1.5 LiMn₂O₄样品的电化学性能测试
• 3.1.6 样品结构与形貌表征
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 样品的XRD 物相分析
• 3.2.2 样品颗粒形貌
• 3.2.3 电性能
• 3.3 结论
• 第四章 电极制作细节对电池性能的影响
• 4.1 混料方式与烧结温度的选择
• 4.2 电极制作细节的改进
• 4.3 电性能
• 4.4 结论
• 第五章 锰的标定与锰源的选择对正极材料电性能的影响
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与溶液
• 5.1.2 溶液及指示剂的配制
• 5.1.3 溶液的标定
• 5.2 样品的电性能
• 5.3 结论
• xMn_2-xO₄高温循环性能的影响'>第六章 掺杂Al 对尖晶石LiAl_xMn_2-xO₄高温循环性能的影响
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 试剂
• 6.1.2 前驱体的制备与处理
• xMn_2-xO₄ 的制备'>6.1.3 LiAl_xMn_2-xO₄的制备
• 6.1.4 样品振实密度的测定
• xMn_2-xO₄ 样品的电化学性能测试'>6.1.5 LiAl_xMn_2-xO₄样品的电化学性能测试
• 6.1.6 样品结构与形貌表征
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 样品XRD 物相分析
• 6.2.2 样品颗粒形貌
• 6.2.3 电性能
• 6.2.4 正极材料的高温稳定性
• 0.1Mn_1.9O₄ 振实密度的影响'>6.2.5 不同铝源和锂源对LiAl_0.1Mn_1.9O₄振实密度的影响
• 6.3 结论
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢