本文關(guān)鍵詞：納米富鋰Fe-Mn正極材料的表面改性及電化學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 富鋰正極材料 Fe-Mn基 表面堿性 Li2MnO3活化 RuO2修飾 ZrO2修飾 電化學(xué)性能 功能性修飾

【摘要】：石油資源枯竭、全球變暖、環(huán)境污染等問(wèn)題,困擾著現(xiàn)代社會(huì)。發(fā)展低排放或者零排放的混合電動(dòng)汽車(chē)、插入式電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē),是實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的必然選擇。能量密度高、體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池,成為電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等的較好的能源供應(yīng)者。廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)鋰離子電池的能量密度、功率密度、價(jià)格和安全性等也提出了更高的要求。Fe-Mn基富鋰正極材料(1-x)Li2MnO3·xLiFeO2,生產(chǎn)原料來(lái)源豐富、成本低廉,同時(shí)還具有比容量高,能量密度高和環(huán)境友好等特點(diǎn),是一種有極大應(yīng)用潛力的正極材料。但與此同時(shí),該材料也存在著首次不可逆容量損失大、倍率性能差、循環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。ZrO2同時(shí)具有堿性和酸性位點(diǎn),作為包覆材料,不僅可以抑制HF對(duì)正極材料的侵蝕,而且在高的工作電壓下具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此,為了穩(wěn)定富鋰Fe-Mn正極材料界面并改善其循環(huán)穩(wěn)定性,我們采用簡(jiǎn)單的浸漬方法對(duì)富鋰Fe-Mn正極材料表面進(jìn)行ZrO2修飾,并對(duì)修飾前后材料的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。EDS和XPS測(cè)試證明了表面修飾物質(zhì)Zr O2的存在。修飾后,材料的放電容量和容量保持得到明顯提高。0.2C下,原始材料和修飾材料50次循環(huán)之后容量分別為137.5mAh/g,155.1 mAh/g,容量保持率分別為70.6%,78.4%(從第二次循環(huán)計(jì)算)。50次循環(huán)后的EIS測(cè)試也表明ZrO2表面修飾極大的抑制了界面阻抗和傳荷阻抗的增加,由此證明了ZrO2表面修飾改善了材料的界面穩(wěn)定,提高了材料的容量保持。RuO2具有很好的導(dǎo)電率和鋰離子傳導(dǎo)速率,我們對(duì)納米尺寸的Fe-Mn富鋰材料進(jìn)行了RuO2包覆和表面活化處理。富鋰正極材料本身具有表面堿性,可以使RuCl3溶液中的Ru3+沉積在正極材料的表面,實(shí)現(xiàn)納米材料表面的Ru(OH)3(溶度積為10-36)包覆,同時(shí)這一過(guò)程產(chǎn)生的酸性環(huán)境促進(jìn)了H+/Li+交換,脫出了母體材料中的部分Li。經(jīng)過(guò)高溫煅燒處理后,Ru(OH)3轉(zhuǎn)變成RuO2。ICP測(cè)試表明修飾材料中Li含量隨Ru沉積量的增加而減少,XRD測(cè)試顯示Li2MnO3的超結(jié)構(gòu)衍射峰明顯下降,表明處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)了Li2MnO3的脫鋰活化。ICP、XPS和EDS元素分布圖,表明RuO2對(duì)富鋰Fe-Mn材料表面的修飾。電化學(xué)性能測(cè)試表明修飾后材料的首次庫(kù)倫效率和倍率性能都得到了顯著的提高。在0.2C下樣品2wt%-LMFO和4wt%-LMFO的首次庫(kù)倫效率分別為83.0%,100.9%,放電容量都超過(guò)220mAh/g,另外2wt%-LMFO具有倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性的綜合優(yōu)勢(shì)。容量微分曲線分析證明材料中尖晶石結(jié)構(gòu)的存在。RuO2活化修飾的Fe-Mn材料低倍率下循環(huán)性能不如氧化鋯修飾的材料,本文嘗試對(duì)合成的納米活性材料進(jìn)行了RuO2和ZrO2的混合功能性修飾。ZrO2二次修飾材料的X射線衍射峰發(fā)生了明顯的變化,尖晶石相增加。SEM和TEM顯示顆粒尺寸變小,晶化程度降低,這與低溫煅燒形成的尖晶石相發(fā)育不完全有關(guān)。雙修飾的材料具有最好的倍率性能,在0.2C,1C,2C,3C倍率下,首次放電容量達(dá)到216mAh/g,196.2mAh/g,185.5mAh/g和155.1mAh/g;與原始材料相比較,分別增加了22.9mAh/g,68.6mAh/g,52.9mAh/g,39.2mAh/g的放電容量。同時(shí)雙修飾的材料首次庫(kù)倫效率都大于100%。對(duì)不同倍率下的循環(huán)曲線的分析發(fā)現(xiàn)雙修飾后材料的循環(huán)性能并沒(méi)有得到改善,這是因?yàn)椴牧系念w粒尺寸減小和晶化程度不高,高的表面活性更加易于界面副反應(yīng)的發(fā)生,因而不利于材料的循環(huán)性能。
【關(guān)鍵詞】：富鋰正極材料 Fe-Mn基 表面堿性 Li2MnO3活化 RuO2修飾 ZrO2修飾 電化學(xué)性能 功能性修飾
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-32
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池概述12-13
• 1.3 鋰離子電池正極材料的研究概況13-29
• 1.3.1 鈷酸鋰正極材料(LiCoO_2)14-15
• 1.3.2 錳酸鋰正極材料(LiMn2O_4)15-17
• 1.3.3 磷酸鐵鋰正極材料(Li FePO_4)17-18
• 1.3.4 富鋰正極材料x(chóng)Li_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(M=Ni, Co, Fe18-19
• 1.3.5 Fe-Mn基富鋰材料(1-x)Li2MnO_3·xLiFeO_219-29
• 1.4 論文選題的意義和內(nèi)容29-32
• 第2章 實(shí)驗(yàn)原理和方法32-40
• 2.1 實(shí)驗(yàn)中所需要的化學(xué)試劑32
• 2.2 材料物理表征方法32-36
• 2.2.1 熱重分析(TG-DTA)32-33
• 2.2.2 X-射線衍射分析(XRD)33-34
• 2.2.3 掃描電鏡分析(SEM）34
• 2.2.4 高分辨透射電子顯微鏡分析(HR-TEM）34-35
• 2.2.5 X射線光電子能譜分析(XPS)35
• 2.2.6 電感耦合等離子發(fā)射光譜分析(ICP-AES）35-36
• 2.2.7 比表面積分析(BET)36
• 2.2.8 X射線熒光分析(XRF)36
• 2.3 材料電化學(xué)表征方法36-40
• 2.3.1 扣式電池的組裝36-37
• 2.3.2 恒流充放電測(cè)試及相關(guān)參數(shù)37
• 2.3.3 容量微分曲線(dQ/dV）37-38
• 2.3.4 交流阻抗測(cè)試(EIS）38-40
• 第3章 ZrO_2修飾Fe-Mn富鋰正極材料Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2及其電化學(xué)性能的研究40-58
• 3.1 Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2及其表面修飾ZrO_2的制備41-42
• 3.2 ZrO_2修飾過(guò)程的熱處理溫度選擇42-43
• 3.3 ZrO_2修飾Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2的表征43-46
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)分析43-44
• 3.3.2 形貌分析44-46
• 3.3.3 修飾量的分析46
• 3.4 電化學(xué)性能分析46-52
• 3.4.1 充放電曲線分析46-48
• 3.4.2 循環(huán)性能分析48-50
• 3.4.3 倍率性能分析50-51
• 3.4.4 不同修飾量的電化學(xué)性能分析51-52
• 3.5 XPS分析52-53
• 3.6 電化學(xué)阻抗譜分析53-55
• 3.7 本章小結(jié)55-58
• 第4章 基于富鋰材料的表面堿性對(duì)Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2進(jìn)行RuO_2包覆和活化修飾58-80
• 4.1 基于富鋰材料的表面堿性包覆Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_259-60
• 4.1.1 Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2的制備59
• 4.1.2 基于富鋰材料的表面堿性包覆RuO_259-60
• 4.2 RuO_2修飾Li_(1.26)Fe_(0.22)Mn_(0.5)2O_2的表征60-66
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)分析60-62
• 4.2.2 元素含量分析62
• 4.2.3 形貌分析62-66
• 4.3 電化學(xué)性能測(cè)試66-72
• 4.4 修飾方法改善性能的機(jī)理研究72-79
• 4.4.1 電子衍射分析73-74
• 4.4.2 XPS表征74-76
• 4.4.3 電化學(xué)阻抗譜分析76-79
• 4.5 本章小結(jié)79-80
• 第5章 Fe-Mn富鋰材料的功能性表面修飾80-90
• 5.1 功能性雙修飾的Fe-Mn富鋰材料的制備81
• 5.2 晶體結(jié)構(gòu)分析81-82
• 5.3 形貌分析82-84
• 5.4 電化學(xué)性能測(cè)試84-88
• 5.5 本章小結(jié)88-90
• 結(jié)論90-92
• 參考文獻(xiàn)92-98
• 攻讀碩士期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文98-100
• 致謝100

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本文編號(hào)：862058