固相配位化学反应法合成锂离子电池正极材料LiMnO及其掺杂材料的研究

摘要

本文采用固相配位化学反应法成功的合成出了超细尖晶石型LiMn<,2>O<,4>及其掺杂材料,从实验与理论相结合的角度系统的研究了其制备过程中的工艺参数、结构、形成机理和性能.研究了原料的配比和焙烧温度对合成材料性能的影响,实验选择硝酸锂、醋酸锰和柠檬酸的摩尔比为1:2:3作为实验的原料配比,500~550℃为配位化合物前驱体的最佳焙烧温度.550℃合成的材料物相纯净,结晶性好,锂含量为3.79﹪,与理论锂含量(3.84﹪)相当;粒度细小,粒度范围为0.06~0.5μm的粉末为82.10﹪,材料的比表面积为10.15m<'2>/g,平均粒度为138.12nm;粉末颗粒为多孔结构,有一定程度的团聚;充电的两个电压平台约为4.05V和4.15V,放电的电压平台约为4.10V和3.95V,其首次放电比容量为124.2mAh/g;循环比容量稳定,随着循环次数的增加,比容量下降的比率减小,循环性能逐渐趋于稳定,十次循环后放电比容量为109.8mAh/g,为初始比容量的88.4﹪.掺杂的LiM<,x>Mn<,2-x>O<,4>(M=Ni,Co,Cr,Al,x=0.05,0.10,0.15,0.20)材料保持了尖晶石结构,形成了固溶体,离子半径小的掺杂元素离子M<'3+>离子代替了Mn<'3+>离子,减小了尖晶石结构的晶胞参数,稳定了结构;掺杂材料颗粒细小,颗粒内部存在有孔隙;掺杂材料随着掺杂浓度的提高,放电比容量降低;掺杂的LiM<,0.10>Mn<,190>O<,4>(M=Ni,Co,Cr,Al)材料结构稳定,循环电性能好,掺杂Co或Ni的材料的循环电性能最好,5次循环后LiCo<,0.10>Mn<,1.90>O<,4>材料和LiNi<,0.10>Mn<,1.90>O<,4>材料的放电比容量分别为119.5mAh/g和118.0mAh/g,是初始放电比容量的97.2﹪和96.3﹪.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.2锂离子电池的工作原理及特性

1.3锂离子电池正极材料

1.3.1锂钴氧(LiCoO2)

1.3.2锂镍氧(LiNiO2)

1.3.3尖晶石型锂锰氧(LiMn2O4)

1.4固相配位化学反应法的应用

1.5本论文研究的依据及内容

第二章实验方法

2.1实验原料

2.2实验设备

2.2.1程控电炉

2.2.2真空干燥箱

2.2.3对辊轧机

2.2.4手套操作箱

2.2.5电池测试仪

2.3尖晶石型LiMn2O4及其掺杂材料的制备

2.4材料的表征

2.4.1红外吸收光谱分析(IR)

2.4.2差热/失重分析(DTA/TG)

2.4.3 X射线衍射分析(XRD)

2.4.4激光衍射粒度分析

2.4.5比表面积的测定

2.4.6原子吸收光谱分析

2.4.7扫描电镜观察(SEM)

2.5电化学性能测试

2.5.1实验电池的结构

2.5.2正极片的制备

2.5.3实验电池的组装

2.5.4电池的充放电测试

第三章尖晶石型LiMn2O4的制备

3.1配位化和物前驱体的制备

3.2配位化合物的差热/热重分析

3.3配位剂配比对材料的影响

3.4焙烧温度对材料的影响

3.5本章小结

第四章焙烧温度对尖晶石型LiMn2O4性能的影响

4.1 LiMn2O4粉末的粒度和比表面积

4.2 LiMn2O4材料的形貌

4.3电化学性能

4.3.1首次充放电性能

4.3.2循环电性能研究

4.4本章小结

第五章掺杂对LiMn2O4材料的结构和性能的影响

5.1掺杂元素对LiMn2O4晶体结构的影响

5.2掺杂的LiMxMn2-xO4材料的形貌

5.3掺杂的LiMxMn2-xO4材料的电性能

5.4本章小节

第六章主要结论

参考文献

致射

攻读硕士学位期间在知名刊物上发表的主要论文

攻读硕士学位期间所获的奖励