本文關(guān)鍵詞：富鋰錳基正極材料合成與摻雜改性的實驗及理論研究

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【摘要】：富鋰錳基正極材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(0x1,M=Mn、Ni、Co、Fe、Cr等)因具有高比容量(200~300mAh/g)、高能量密度(~300Wh/kg)和新的充放電機制,近年來受到研究者們廣泛關(guān)注,有望用于下一代動力鋰電池中。本文使用共沉淀法合成富鋰錳基正極材料0.6Li2MnO3·0.4Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2(Li1.2[Mn0.52Ni0.2Co0.08]O2),通過優(yōu)化共沉淀工藝、進(jìn)行摻雜改性,逐步提高其電化學(xué)性能;并使用第一性原理,對摻雜改善材料電化學(xué)性能的機理做出闡釋。(1)采用碳酸鹽共沉淀法合成前驅(qū)體。通過建立熱力學(xué)模型和實驗驗證,選取了乳酸鈉替代對人體有刺激性的氨水作為碳酸鹽共沉淀的絡(luò)合劑。當(dāng)乳酸鈉與過渡金屬離子的摩爾比為0.75:1,共沉淀反應(yīng)的pH值為8.0時,所得前驅(qū)體與正極材料形貌均勻,結(jié)晶性良好,正極材料電化學(xué)性能最優(yōu)。該材料在2.0~4.8V電壓區(qū)間內(nèi),0.5C(1C=200mAh/g)倍率下循環(huán)100次后,放電比容量仍有175.9mAh/g,容量保持率達(dá)到95.6%。(2)考察了不同摻雜方法、不同摻雜量和不同摻雜元素對正極材料的影響。實驗結(jié)果表明:溶液法的摻雜效果優(yōu)于球磨法。Ti摻雜量為2%時,材料具有最好的電化學(xué)性能。該材料在0.5C倍率下循環(huán)100次后,放電比容量仍有188.8mAh/g,容量保持率達(dá)到97.2%。Ti、Al摻雜均能提高材料放電比容量,相比較而言,Ti摻雜更能提高材料循環(huán)性能,而Al摻雜更能提高材料的倍率性能。電化學(xué)阻抗測試表明,Ti、Al摻雜均減小了電化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移阻抗。(3)使用密度泛函理論分析了摻雜前后正極材料電子結(jié)構(gòu)的變化,計算認(rèn)為:摻雜原子(Ti、Al)傾向于占據(jù)富鋰錳基材料中Li2MnO3相的Mn位,Ti摻雜提高了充放電過程中材料晶格O的穩(wěn)定性,因而材料具有更好的循環(huán)性能;而Al摻雜提高了Li2MnO3相的電子電導(dǎo)率,使材料擁有更好的倍率性能。
【關(guān)鍵詞】：富鋰錳基正極材料 共沉淀法 熱力學(xué)分析 摻雜改性 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 緒論13-33
• 1.1 引言13
• 1.2 鋰電池的組成及工作原理13-14
• 1.3 鋰電池正極材料14-17
• 1.3.1 層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO_214-15
• 1.3.2 層狀結(jié)構(gòu)的LiNiO_215
• 1.3.3 多元層狀正極材料Li-Ni-Co-Mn-O15-16
• 1.3.4 尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O_416
• 1.3.5 橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO_416-17
• 1.4 富鋰錳基正極材料17-23
• 1.4.1 富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)與充放電機制17-20
• 1.4.2 富鋰錳基正極材料的合成20-22
• 1.4.3 富鋰錳基正極材料的改性22-23
• 1.5 淺析共沉淀法合成Li-Ni-Co-Mn-O正極材料23-32
• 1.5.1 共沉淀的顆粒過程24-27
• 1.5.2 共沉淀的熱力學(xué)過程27-28
• 1.5.3 共沉淀工藝對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的影響28-32
• 1.6 本文的選題及研究內(nèi)容32-33
• 第二章 實驗材料、儀器及表征方法33-37
• 2.1 實驗過程中所用的材料及儀器33-34
• 2.1.1 實驗材料33
• 2.1.2 實驗儀器33-34
• 2.2 材料表征方法34-35
• 2.2.1 物相分析34
• 2.2.2 形貌分析34-35
• 2.2.3 成分分析35
• 2.3 振實密度測定35
• 2.4 電化學(xué)性能測試35-37
• 2.4.1 扣式電池的組裝35-36
• 2.4.2 充放電性能測試36
• 2.4.3 循環(huán)伏安（CV）測試36
• 2.4.4 電化學(xué)阻抗（EIS）測試36-37
• 第三章 共沉淀法合成Li_(1.2)[Mn_(0.52)Ni_(0.20)Co_(0.08)]O_2正極材料37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 共沉淀的熱力學(xué)模型及絡(luò)合劑可行性的熱力學(xué)分析37-42
• 3.3 絡(luò)合劑濃度對材料的影響42-48
• 3.3.1 絡(luò)合劑濃度對前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的影響42-44
• 3.3.2 絡(luò)合劑濃度對正極材料結(jié)構(gòu)的影響44-46
• 3.3.3 絡(luò)合劑濃度對正極材料電化學(xué)性能的影響46-48
• 3.4 共沉淀pH值對材料的影響48-53
• 3.4.1 共沉淀pH值對前驅(qū)體結(jié)構(gòu)的影響48-50
• 3.4.2 共沉淀pH值對正極材料結(jié)構(gòu)的影響50-52
• 3.4.3 共沉淀pH值對正極材料電化學(xué)性能的影響52-53
• 3.5 本章小結(jié)53-55
• 第四章 Li_(1.2)[Mn_(0.52)Ni_(0.20)Co_(0.08)]O_2的摻雜改性研究55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 摻雜方法對正極材料的影響55-59
• 4.2.1 摻雜方法對正極材料結(jié)構(gòu)的影響56-57
• 4.2.2 摻雜方法對正極材料電化學(xué)性能的影響57-59
• 4.3 摻雜量對正極材料的影響59-63
• 4.3.1 摻雜量對正極材料結(jié)構(gòu)的影響59-61
• 4.3.2 摻雜量對正極材料電化學(xué)性能的影響61-63
• 4.4 摻雜元素對正極材料的影響63-67
• 4.4.1 摻雜元素對正極材料結(jié)構(gòu)的影響63-64
• 4.4.2 摻雜元素對正極材料電化學(xué)性能的影響64-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第五章 摻雜改性的第一性原理分析69-79
• 5.1 引言69
• 5.2 模型的建立和計算參數(shù)的選擇69-71
• 5.3 摻雜原子占位71-73
• 5.4 Li2MnO_3電子結(jié)構(gòu)特征73-75
• 5.5 Ti、Al摻雜對Li2MnO_3電子結(jié)構(gòu)特征的影響75-77
• 5.6 Ti、Al摻雜對循環(huán)過程晶格O穩(wěn)定性的影響77-78
• 5.7 本章小結(jié)78-79
• 第六章 總結(jié)與展望79-81
• 參考文獻(xiàn)81-91
• 致謝91-92
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文92-93
• 附錄93-102

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 肖新顏;葉永清;;共沉淀法合成Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)(OH)_2的熱力學(xué)分析[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2010年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 彭美勛;球形氫氧化鎳的微結(jié)構(gòu)形成機理與電化學(xué)性能[D];中南大學(xué);2004年

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本文編號：1049827