锂离子电池球形正极材料的合成及其电化学性能研究

论文摘要

球形正极材料具有高堆积密度、高的体积比容量、优异的流动性、分散性和易加工等性能,使其应用于锂离子电池可以显著提高电池的能量密度,因而球形正极材料的合成研究受到了研究者的广泛关注。本论文主要包括绪论、实验和结论三部分。绪论部分主要论述了通用正极材料的结构、性能特点及LiMnxNiyCo1-x-yO2和锰酸锂系列球形正极材料的制备方法。实验部分（第三、四章）以碳酸氢铵为沉淀剂,共沉淀高温煅烧法合成了Li1+x[Mn0.45Co0.40Ni(0.15]O2和Li1.20NixMn2-xO4球形正极材料,讨论了合成条件对材料形貌、粒径和晶型的影响,进行了制备球形材料表征分析和电化学性能测试。以碳酸氢铵为合成球形前驱体[MnxCoyNi1-x-y]CO3的沉淀剂,详细讨论了反应时间、反应温度、搅拌速度、碳酸氢铵浓度和煅烧温度对合成产物形貌的影响,得出了球形前驱体合成的最佳条件。当其他条件不变时,改变搅拌速度可获得两种不同粒径的球形颗粒。所得球形颗粒的球形度高,粒径分布范围窄。球形前驱体在800℃煅烧得到了阳离子无序度小、结晶度较高的层状结构材料。容量循环性能测试结果表明,材料Li1+x[Mn0.45Co0.40nI0.15]O2与其他LiMnxNiyCO1-x-yO2系材料相比比容量略低,但其循环性能较优。在2.8-4.5V及不同充放电电流密度(50、125、250 mA·g-1)下,50次循环后球形材料的容量保持率均大于80%。Li1.15[Mn0.45Co0.40Ni0.15]O2球形材料在2.8-4.6 V、25 mA·g-1充放电电流密度下的放电容量达184.5 mAh·g-1,30次循环后容量保持在173.91 mAh·g-1。采用XRD、SEM、AAS、FT-IR、RS、CV和电池测试系统等手段,对合成的材料进行了结构表征和电化学性能测试。在合成Li1+x[Mn0.45Co0.40Ni0.15]O2正极材料的基础上,进一步简化合成条件,合成出了粒径分布窄、平均粒径为2μm的球形材料Li1.20NixMn2-xO4,考察了镍含量对制备材料电化学性能的影响。研究结果表明Li1.20NixMn2-xO4（x=0.28）材料表现出最佳的电化学性能,在3.5V-5.0 V和25 mA·g-1电流密度下,其放电容量达136.6 mAh·g-1,50次循环后容量保持率为96.9%;在不同的放电倍率下,该材料仍然具有优异的放电容量,在3.5-5.0V和电流密度250 mA·g-1下充放电1000次,材料放电容量仍能保持到90.3%。甚至在1250 mA·g-1的电流密度下充放电,循环50次,放电容量仍为25 mA·g-1电流密度下的70.7%。采用XRD、SEM、AAS、FT-IR、CV及电池测试系统等手段,对合成的材料进行了结构表征和电化学性能测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池工作原理及其特点
• 1.3 锂离子电池发展现状
• 1.4 锂离子电池正极材料
• 1.4.1 锂离子电池对正极材料的要求
• 1.4.2 LiC002正极材料
• 1.4.3 镍酸锂系列正极材料
• 1.4.4 磷酸亚铁锂系列正极材料
• xMn_yNi_1-x-yO_系列正极材料'> 1.4.5 LiCo_xMn_yNi_1-x-yO_系列正极材料
• 1.4.6 锰酸锂系列正极材料
• xMn_yNi_1-x-yO₂系列球形正极材料制备方法'> 1.5 LiCo_xMn_yNi_1-x-yO₂系列球形正极材料制备方法
• 1.5.1 碳酸盐共沉淀前躯体高温烧结法
• 1.5.2 氢氧化物共沉淀前躯体高温烧结法
• 1.5.3 超声波喷射高温分解法
• 1.5.4 流变体高温烧结
• 1.5.5 溶胶凝胶高温烧结
• 1.6 球形锰酸锂系列正极材料制备方法
• 1.7 论文研究目的及主要内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 主要内容
• 第2章 实验方法及原理
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂及仪器
• 2.3 球形正极材料的合成
• 1+x[Mn₀.45Co_0.40Ni_0.15]O_球形材料的合成'>2.3.1 Li_1+x[Mn₀.45Co_0.40Ni_0.15]O_球形材料的合成
• 1.20M_xNb_2-xO4球形材料的合成'>2.3.2 Li1.20MxNb2-x</sub>O4球形材料的合成</sub>
• 2.4 扣式电池的组装
• 2.4.1 正极制备
• 2.4.2 辅助材料选择
• 2.4.3 模拟电池装配
• 2.5 材料表征
• 2.5.1 物相分析
• 2.5.2 SEM形貌分析
• 2.5.3 化学元素分析
• 2.5.4 红外和拉曼光谱分析
• 2.6 材料电化学性能测试
• 2.6.1 循环伏安测试分析
• 2.6.2 充放电测试
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂材料的制备及性能研究'>第3章 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂材料的制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 沉淀剂的选择
• 3.3 共沉淀法制备镍钴锰复合碳酸盐的热力学分析
• 3.4 影响化学共沉淀过程的动力学因素
• xCo_yNi_1-x-y]Co₃球形前驱体'> 3.5 共沉淀法制备[Mn_xCo_yNi_1-x-y]Co₃球形前驱体
• 3.5.1 反应温度对前驱体形貌的影响
• 3.5.2 反应时间对前驱体形貌的影响
• 3.5.3 搅拌速度对前驱体形貌的影响
• 3.5.4 碳酸氢铵浓度对前驱体形貌的影响
• 3.5.5 球形前驱体的优化合成条件
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的合成'> 3.6 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的合成
• 0.45Co_0.40Ni_0.15]CO₃球形材料的热处理'> 3.6.1 [Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]CO₃球形材料的热处理
• 3.6.2 锂盐的选择
• 3.6.3 氧化物与锂盐高温煅烧
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料表征'> 3.7 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料表征
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂2球形材料的组成分析'> 3.7.1 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂2球形材料的组成分析
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的结构分析'> 3.7.2 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的结构分析
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的红外与拉曼光谱分析'> 3.7.3 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的红外与拉曼光谱分析
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的电性能'> 3.8 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的电性能
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的循环伏安曲线'>3.8.1 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的循环伏安曲线
• 1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的充放电和循环曲线'>3.8.2 Li_1+x[Mn_0.45Co_0.40Ni_0.15]O₂球形材料的充放电和循环曲线
• 3.9 本章小结
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄ 的制备及性能研究'>第4章 掺镍尖晶石材料Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄的制备及性能研究
• 4.1 引言
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄系列球形材料'> 4.2 共沉淀法制备Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄系列球形材料
• 4.3 实验电池的测试
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的表征'> 4.4 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的表征
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的元素分析'> 4.4.1 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的元素分析
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的XRD衍射分析'> 4.4.2 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的XRD衍射分析
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的SEM分析'> 4.4.3 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的SEM分析
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的红外光谱分析'> 4.4.4 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的红外光谱分析
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的电化学性能'> 4.5 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的电化学性能
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的循环伏安曲线'> 4.5.1 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的循环伏安曲线
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的容量及循环性能'> 4.5.2 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的容量及循环性能
• 1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的电性能研究'> 4.6 Li_1.20Ni_xMn_2-xO₄球形材料的电性能研究
• 4.7小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果