近年來,鋰離子電池以其能量密度高、循環(huán)性能好等優(yōu)勢逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。正極材料是鋰離子電池最為核心的組分之一,因此,開發(fā)綜合性能優(yōu)異的正極材料成為鋰離子電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有工作電壓高（4.7V（vs.Li/Li⁺））、儲能時間長、能量密度高(650 Wh kg^-1)及資源豐富等優(yōu)勢,而被視為新一代動力鋰離子電池正極材料的理想之選。然而,LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料在高溫高壓下易發(fā)生Mn³⁺的歧化、Mn²⁺溶解等副反應(yīng),損害了電池的循環(huán)性能。本文采用Cu-Al雙元素?fù)诫s、晶面調(diào)控的方式對LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料進(jìn)行改性,提升其循環(huán)及倍率性能。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1、采用醇膠溶劑法對LiNi_0.5Mn_1.5O

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池工作原理示意圖

碩士學(xué)位論文3滿足以下要求[14-18]：（1）有較高的吉布斯自由能，可提供較高的工作電壓（高比功率）；（2）工作電壓穩(wěn)定，即在嵌入反應(yīng)過程中吉布斯自由能變化�。唬�3）儲鋰性能優(yōu)異，能為電池提供較高的容量；（大容量）（4）有較大的擴(kuò)散系數(shù)和遷移系數(shù)（快速充放電能力好）；（5）正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在脫嵌鋰的過程中材料體積變化�。ㄑh(huán)壽命長）；（6）具有高熱穩(wěn)定性，與電解質(zhì)的相容性良好且與電解液接觸時不發(fā)生反應(yīng)（長壽命和高安全性）；（7）制備工藝簡單，成本低廉，無毒且應(yīng)用廣泛。目前，在鋰離子電池正極材料的研究中，按照結(jié)構(gòu)的不同主要分為以下三大類：層狀化合物L(fēng)iMO2（M=Ni，Co，Mn），尖晶石化合物L(fēng)iM2O4（M=Ti，V，Mn）和橄欖石型化合物L(fēng)iMPO4（M=Fe，Ni，Co，Mn）[19]。1.3.1LiMO2（M=Ni,Co,Mn）層狀結(jié)構(gòu)正極材料圖1.2層狀LiCoO2的晶體結(jié)構(gòu)示意圖[20]Fig.1.2CrystalstructureoflayeredLiCoO2[20]在鋰離子電池領(lǐng)域，Goodenough創(chuàng)新性地提出離子電導(dǎo)率高的氧化物密堆積的層狀材料可作為鋰離子電池正極材料，緊接著Sony公司成功地研制出以鈷酸鋰（LiCoO2）為正極材料的鋰離子電池[21,22]。如圖1.2所示，LiCoO2為層狀α-NaFeO2結(jié)構(gòu)，屬于R3_m空間群，為三方晶系。其中，氧原子呈立方密堆積序列，形成共邊八面體。Co和Li分別在立方密堆積中八面體的3a和3b位置，O占據(jù)6c位置[23]。Li+可在CoO2構(gòu)建的八面體平板上可逆地脫嵌。LiCoO2的理論放電

ePO4的工作電壓為3.4V，理論放電比容量為170mAhg-1，理論能量密度為578Whkg-1，較低的能量密度限制了LiFePO4正極材料進(jìn)一步的商業(yè)化應(yīng)用。與此同時，LiFePO4材料的電子電導(dǎo)率僅有10-9Scm-1，離子電導(dǎo)率為10-14～10-16cms-1，這決定了該材料的倍率性能和低溫性能較差。磷酸釩鋰（Li3V2(PO4)3）[52]是另一種倍受關(guān)注的聚陰離子結(jié)構(gòu)鋰離子電池正極材料。Li3V2(PO4)3材料具有鈉快離子導(dǎo)體（NASCION）結(jié)構(gòu)，放電平臺高（3.6～4.5V），結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性高，但磷酸釩鋰材料的電子導(dǎo)電率較低，倍率性能較差。圖1.3LiFePO4的晶體結(jié)構(gòu)示意圖[53]Fig.1.3CrystalstructureschematicdiagramofolivineLiFePO4[53]1.3.3LiMn2O4尖晶石正極材料尖晶石LiMn2O4材料具有高的工作電壓和電導(dǎo)率，具有適合鋰離子快速傳輸?shù)娜S鋰離子擴(kuò)散通道，其倍率性能優(yōu)于其它正極材料。尖晶石LiMn2O4是由ThackerayMM課題組于1983首次報道[54]，屬于立方晶系，F(xiàn)d-3m空間群。其晶體結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。在該結(jié)構(gòu)中鋰占據(jù)四面體的8a位置，過渡金屬錳占據(jù)八面體的16d位置，氧呈面心立方密堆積，占據(jù)32e位置。其中，四面體晶格8a,48f和八面體晶格16c共面組成了互通的三維鋰離子傳輸通道。充放電過程中，鋰離子經(jīng)過8a-16c-8a通道進(jìn)行嵌入和脫出。尖晶石LiMn2O4材料理論放電比容量為148mAhg-1，具有資源豐富，成本低廉及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但是LiMn2O4材料仍存在一些明顯的缺點(diǎn)，其中最突出的問題就是高溫循環(huán)過程中容量衰減嚴(yán)重。目前，研究認(rèn)為造成容量衰減過快的原因主要有以下三點(diǎn)：首先，錳的溶解

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博士論文
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本文編號：3094254