层状-尖晶石复合正极材料LiNi0.5Mn0.5O2-LiMn1.9Al0.1O4的制备、结构及电化学性能研究

摘要

近年来，随着环境问题的加剧和资源紧缺，能源材料被广泛关注。如何高效的利用能源也变得尤为重要。在众多储能装置中，锂离子电池因其具有高安全性、无记忆效应和高比能量等优点而被大量研究。作为典型的层状正极材料，LiNiO2具有理论容量高(200 mAh g-1)、安全性好等优点，然而该材料差的结构稳定性限制了其商业化。以Mn3+部分取代Ni2+形成的LiNi0.5Mn0.5O2正极材料具有较为稳定的结构;然而，改性后的该材料的容量仍然不能满足商业化的要求。另一方面，尖晶石LiMn2O4由于其原料廉价易得、环境友好，而被认为是一种极具发展潜力的正极材料。然而，尖晶石LiMn2O4材料在循环过程中容量迅速衰退限制了材料的实际应用。将Al3+掺杂到尖晶石LiMn2O4正极材料中，由于Al-O键的键能明显高于Mn-O键，Al掺杂的LiMn1.9Al0.1O4正极材料的循环性能得到改善。目前，多元复合正极材料（如层状-层状、层状-尖晶石等）兼具构成组分的优点，且具有高的比容量而备受关注。本文将改性后的层状LiNi0.5Mn0.5O2和尖晶石LiMn1.9Al0.1O4正极材料复合，制备了复合正极材料xLiNi0.5Mn0.5O2-(1-x)LiMn1.9Al0.1O4(LNM-LMA-x)，研究了组分、烧结温度以及pH值对正极材料的结构、微观形貌和电化学性能的影响。主要研究内容和结论如下:
　　(1)采用溶胶-凝胶法制备了xLiNi0.5Mn0.5O2-(1-x)LiMn1.9Al0.1O4复合正极材料，研究了组分对复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响。研究结果表明，随着x的增加，复合材料逐渐由层状（六方相）向尖晶石（立方相）结构转变，当x=0.25-0.75时，材料为立方相和六方相两相共存。所制备的材料的平均晶粒尺寸约为130～200 nm;且当x=0.5时，材料的平均晶粒尺寸最小(130 nm)。相比于层状和尖晶石正极材料，复合材料的电化学性能明显提高。当x=0.5时，复合材料具有最大的首次放电比容量(0.1 C，236 mAh g-1)、较优的循环稳定性和倍率性能。
　　(2)采用溶胶-凝胶法制备了0.5LiNi0.5Mn0.5O2-0.5LiMn1.9Al0.1O4复合正极材料，研究了烧结温度对复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响。研究结果表明，烧结温度对材料的晶体结构影响较小。随着烧结温度的增加，复合材料均为六方和立方相两相共存。烧结温度对材料的电化学性能有着重要的影响。随着烧结温度从500℃增加到900℃，电极材料的放电比容量为165～245mAh g-1。当烧结温度为700℃时，LNM-LMA-0.5材料具有最大的首次放电比容量(0.1 C，245mAh g-1)、较优的循环稳定性和倍率性能。
　　(3)采用溶胶-凝胶法制备了0.5LiNi0.5Mn0.5O2-0.5LiMn1.9Al0.1O4复合正极材料，通过改变氨水的加入量调节pH值，研究了pH值对复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响。研究结果表明，pH值对材料的晶体结构和微观形貌影响较小。随着pH值的增加，复合材料始终为六方和立方相两相共存。随着pH值从6增加到8.5，电极材料的首次放电比容量为171～255 mAh g-1。当pH=7时，LNM-LMA-0.5电极材料具有最大的首次放电比容量(0.1 C，255mAhg-1)、较优的循环稳定性和倍率性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的工作原理

1．3 正极材料的分类

1．4 层状镍酸锂正极材料的研究进展

1．5 尖晶石LiMn2O4的研究进展

1．6 本论文立项依据和主要研究内容

2 材料的制备方法及性能测试

2．1 材料的制备

2．2 性能表征

3 层状-尖晶石复合正极材料LiNi0．5Mn0．5O2-LiMn1．9Al0．1O4的结构、微观形貌及电化学性能

3．1 引言

3．2 xLiNi0．5Mn0．5O2-(1-x)LiMn1．9Al0．1O4材料的结构

3．3 xLiNi0．5Mn0．5O2-(1-x)LiMn1．9Al0．1O4材料的微观形貌

3．4 xLiNi0．5Mn0．5O2-(1-x)LiMn1．9Al0．1O4材料的电化学性能

3．5 本章小结

4 制备工艺对0．5LiNi0．5Mn0．5O2-0．5LiMn1．9Al0．1O4复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响

4．1 烧结温度对0．5LiNi0．5Mn0．5O2-0．5LiMn1．9Al0．1O4复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响

4．2 pH值对0．5LiNi0．5Mn0．5O2-0．5LiMn1．9Al0．1O4复合材料的结构、微观形貌及电化学性能的影响

4．3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果