本文關(guān)鍵詞：一類富鋰錳基正極材料的合成與性能，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋰離子電池具有工作電壓高,能量密度大,環(huán)境友好,使用壽命長等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。隨著便攜式設(shè)備等使用電池供電的設(shè)備對自身重量和體積限制的要求不斷提高,對鋰離子電池的能量密度等方面的要求的不斷增加,現(xiàn)有的商用鋰離子電池逐漸已經(jīng)無法滿足需求。制約鋰離子電池能量密度提升的主要是其正極材料。現(xiàn)有的商業(yè)化的正極材料如LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4和LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等,比容量都小于200 mAh g-1無法滿足未來大容量電池的要求。因此急需尋找更新型的大容量正極材料替代現(xiàn)有的材料。層狀富鋰過渡金屬氧化物由于其較大的理論容量而受到關(guān)注。這類材料結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,目前有兩種表達(dá)形式,分別是復(fù)合結(jié)構(gòu)表達(dá)式xLi2MnO3(1-x)LiMO2(M代表過渡金屬)和具有長程有序結(jié)構(gòu)的固溶體表達(dá)式Li[LixM1-x]O2。以金屬硫酸鹽作為原料,使用2L的夾套式反應(yīng)釜作為容器,NaOH作為沉淀劑,氨水作為絡(luò)合劑,使用液相控制結(jié)晶法合成前驅(qū)體Ni0.200Co0.125Mn0.675(OH)2。在液相控制結(jié)晶反應(yīng)過程中,通過控制溫度和pH值來保證Ni、Co和Mn三種金屬離子能一起勻速共沉淀結(jié)晶。通過調(diào)節(jié)攪拌速率、反應(yīng)時間和金屬鹽溶液的濃度等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物顆粒形貌的控制。在1000 rpm攪拌速率,2M金屬鹽溶液濃度和50 h反應(yīng)時間的最佳條件下合成出來的前驅(qū)體,其一次顆粒尺寸為納米級,形貌為片狀,二次顆粒形貌為球形,粒徑分布在7-11μm之間。將前驅(qū)體與LiOH混合在高溫下煅燒12 h可以得到Li[Lio.2Nio. i6Coo.iMno.54]02層狀富鋰錳基正極材料。使用X射線衍射對材料進(jìn)行表征,可以判斷出材料屬于層狀六方相結(jié)構(gòu)。使用振實(shí)密度儀測出材料的振實(shí)密度為2.25 g cm-3,這一數(shù)值高于使用固相法合成出來的材料。Li [Li0.2Ni0.16C00.1 Mn0.54] O2正極材料在0.03 C的倍率下,2.0-4.7 V電壓區(qū)內(nèi)的放電比容量為278 mAh g -1。在0.1 C下循環(huán)50圈后,放電比容量為215 mAh g-1,容量保持率為95%。將Li [Li0.2Ni0.16Co0.1 Mn0.54]O2正極與大容量Si負(fù)極材料組裝成全電池,其平均工作電壓為3V,根據(jù)正極和負(fù)極總質(zhì)量計算的全電池比能量為590 Wh kg -1,其能量密度遠(yuǎn)大于現(xiàn)有商業(yè)化的鋰離子電池。為了探究富鋰過渡金屬氧化物材料中不同富鋰程度對材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,我們使用相同的前驅(qū)體混合不同量的鋰鹽高溫煅燒合成出一系列的富鋰錳基材料。這些材料的元素組成在Li-Mn-Ni-O體系相圖中線性分布于Li2Mn03到LiNi0.5Mn0.5O2組分連線的兩側(cè)。通過掃描電子顯微鏡可以觀察到,這些材料的二次顆粒呈球形,粒徑分布在7-11μm之間。富鋰程度較低的材料一次顆粒由片狀顆粒和大塊六方形顆粒組成,而富鋰程度較高的材料一次顆粒則由棒狀顆粒與片狀顆粒組成。通過X射線衍射結(jié)果中可以看出,當(dāng)材料中富鋰的程度低到一定量時,會出現(xiàn)層狀六方相與層狀巖鹽相共存的情況,而在富鋰程度較高的情況下則只有層狀六方相。從Li、Ni和Mn金屬元素的比例,元素的化合價以及層狀結(jié)構(gòu)中元素的占位規(guī)則可以推斷出,在富鋰程度較低的情況下,過渡金屬層會出現(xiàn)空位,而在富鋰較多的情況下則有可能出現(xiàn)氧空位或者材料中含有Ni3+。通過富鋰材料的充電機(jī)理以及所得到的充放電性能圖可排除Ni3+的存在。從而判斷在材料富鋰較多的情況下會有氧空位的產(chǎn)生。通過計算所得到的富鋰材料中過渡金屬層空位和氧空位的含量,可以得到這些材料最終的化學(xué)表達(dá)式,分別是Li[Li0.128□0.051Ni0.205Mn0.615]O2、Li[Li0.164□0.025Ni0.202Mn0.607]O2、 Li [Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2和Li [Li0.234□-0.024Ni0.197Mn0.592]O2 。層狀富鋰錳基材料在含有過渡金屬層空位的情況下,其首圈充放電的可逆性能夠得到改善,而在有氧空位存在時,材料在充電過程中可以脫出更多的氧,使得材料在4.5 V的平臺容量較沒有氧空位的大。無論氧空位還是過渡金屬層空位的出現(xiàn)都能使材料獲得意想不到的電化學(xué)性能。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 富鋰錳基材料 能量密度 正極 振實(shí)密度
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O611.4;TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 概述12-13
• 1.2 鋰離子電池13-18
• 1.2.1 鋰離子電池概述13-14
• 1.2.2 鋰離子電池工作原理14
• 1.2.3 鋰離子電池負(fù)極材料14-15
• 1.2.4 鋰離子電池電解液和隔膜15-16
• 1.2.5 鋰離子電池正極材料16-18
• 1.3 富鋰錳基材料的研究進(jìn)展18-19
• 1.4 本課題研究的內(nèi)容及意義19-21
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法21-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及所需藥品21-22
• 2.2 材料的表征手段22-23
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡(SEM)22-23
• 2.2.2 X射線衍射分析(XRD)23
• 2.3 鋰離子電池正極材料電化學(xué)性能測試技術(shù)23-27
• 2.3.1 電池的容量與比容量23-24
• 2.3.2 循環(huán)性能與倍率性能24
• 2.3.3 扣式電池結(jié)構(gòu)24-25
• 2.3.4 電極片的制備25
• 2.3.5 測試電池的封裝25-27
• 第三章 大容量三元富鋰材料的合成與性能27-38
• 3.1 引言27-28
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程28-29
• 3.2.1 液相控制結(jié)晶法合成電極材料28-29
• 3.2.2 高溫固相法合成電極材料29
• 3.2.3 全電池的組裝29
• 3.3 結(jié)果分析與探討29-37
• 3.3.1 前驅(qū)體結(jié)構(gòu)與形貌29-33
• 3.3.2 LNCM正極材料的結(jié)構(gòu)與形貌33-34
• 3.3.3 電化學(xué)數(shù)據(jù)34-37
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論37-38
• 第四章 過渡金屬層富鋰的程度對材料結(jié)構(gòu)與性能的影響38-49
• 4.1 引言38-39
• 4.2 實(shí)驗(yàn)過程39-40
• 4.2.1 LRO正極材料的合成39
• 4.2.2 結(jié)構(gòu)表征與電化學(xué)性能測試39-40
• 4.3 結(jié)果分析與探討40-48
• 4.3.1 材料的結(jié)構(gòu)與形貌特征40-43
• 4.3.2 LRO的電化學(xué)性能測試43-48
• 4.4 結(jié)論48-49
• 第五章 結(jié)論與展望49-52
• 5.1 論文主要工作與結(jié)論49-50
• 5.2 展望50-52
• 碩士期間科研成果列表52-53
• 致謝53-54
• 參考文獻(xiàn)54-62

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7 金U喢

本文編號：348985