本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池高電壓正極材料鎳猛酸鋰的合成與改性研究

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【摘要】：高電壓正極材料LiNi0.5Mn1.5O4擁有容量高、電壓平臺高、原材料資源豐富、安全性能好、對環(huán)境友好等特點(diǎn),是非常具有應(yīng)用前景的鋰離子電池正極材料之一。但由于材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及合成工藝苛刻等原因,導(dǎo)致存在生產(chǎn)成本較高、循環(huán)穩(wěn)定性較差的問題,嚴(yán)重制約了其規(guī)�；a(chǎn)與應(yīng)用。本文以優(yōu)化鎳錳酸鋰的制備工藝和改善其循環(huán)穩(wěn)定性能為目的,通過以Li2CO3, MnO2, NiO等為原料,采用易于工業(yè)化生產(chǎn)的固相合成法制備鎳錳酸鋰正極材料,并考察了制備工藝條件對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。此外,采用X射線衍射、掃描電鏡、充放電循環(huán)測試以及交流阻抗等分析檢測手段對所合成材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌以及電化學(xué)性能等進(jìn)行表征。本文主要研究了不同煅燒溫度(750℃、800℃、850℃、900℃),不同保溫時(shí)間(6h、12h、18h、24h),不同鋰過量值(Omo1、0.02mol、0.05mol、0.08mol)及不同球磨條件(150r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min)對LiNi0.5Mn1.5O4正極材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,探索出固相法合成鎳錳酸鋰的最佳工藝參數(shù)(鋰過量0.05mol,350r/min球磨轉(zhuǎn)速,900℃保溫12h)。在此工藝條件下合成的LiNi0.5Mn1.5O4在充放電過程中表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能,0.2C倍率下,首次放電比容量為125.3mAh/g,100次充放電循環(huán)后放電比容量為118.7mAh/g,容量保持率為94.7%。由于鋰離子電池正極材料鎳錳酸鋰4.7V的高電壓容易使電解液分解,所以電解液對材料電化學(xué)性能有著重要的影響。本文使用三種電解液對合成材料進(jìn)行了電性能測試,結(jié)果表明,不同電解液對材料的電性能有很大影響,以LiPF6/(EC+DMC+EMC)作為電解液,材料表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能。在獲得最優(yōu)工藝參數(shù)后,本文還對鎳錳酸鋰進(jìn)行摻雜鐵和鉻的改性研究,分別合成了具有尖晶石結(jié)構(gòu)的LiNi0.5Mn1.5-xMxO4/LiNi0.5-xMxMn1.5O4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料。研究發(fā)現(xiàn),摻雜少量Fe和Cr(x=0.05),合成材料的尖晶石結(jié)構(gòu)沒有被破壞,樣品仍具有完整立方尖晶石結(jié)構(gòu)和較高的結(jié)晶度；其中Mn位摻雜樣品中,LiNi0.5Mn1.45Fe0.05O4樣品性能較好,樣品容量衰減得到抑制,0.2C倍率下,其首次放電比容量分別為124.5mAh/g,經(jīng)20次充放電循環(huán),放電比容量為120.1mAh/g,容量保持率為96.5%。又對鎳錳酸鋰進(jìn)行Ni位摻雜鐵和鉻實(shí)驗(yàn),當(dāng)摻雜量都為0.05時(shí),Ni位摻雜Fe和Cr的樣品LiNi0.45Mn1.5Fe0.05O4/ LiNi0.45Mn1.5Cro.05O4均表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能,0.2C倍率下其首次放電比容量分別為132.3mAh/g和133.8mAh/g,經(jīng)20次充放電循環(huán),放電比容量分別為132.5mAh/g和133.8mAh/g,循環(huán)過程中容量無衰減。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)貙︽囧i酸鋰進(jìn)行體相摻雜,不但不會降低材料的放電容量,還能提高材料的導(dǎo)電性,增強(qiáng)鋰離子在脫嵌過程中的可逆性,有效抑制材料在充放電過程中的容量衰減,從而改善材料的循環(huán)性能,有助于獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的鎳錳酸鋰正極材料。另外對比可知,摻雜量和摻雜位置都相同時(shí),Fe離子摻雜效果好于Cr離子摻雜,但材料的高倍率放電性能還有待進(jìn)一步提高。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 高電壓正極材料 固相法 離子摻雜 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstarct7-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 前言12
• 1.2 鋰離子電池簡介12-15
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展12-13
• 1.2.2 鋰離子電池分類及結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.3 鋰離子電池工作原理14-15
• 1.3 鋰離子電池正極材料15-19
• 1.3.1 鋰離子正極材料的選擇15
• 1.3.2 鋰離子電池正極材料的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.4 尖晶石型正極材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_419-26
• 1.4.1 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的結(jié)構(gòu)與性能19-20
• 1.4.2 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的充放電機(jī)理20-21
• 1.4.3 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的合成方法21-23
• 1.4.4 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4存在問題23
• 1.4.5 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的改性措施23-26
• 1.5 研究意義及內(nèi)容26-30
• 1.5.1 研究意義26-27
• 1.5.2 研究內(nèi)容27-30
• 第二章 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與方法30-36
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備30-31
• 2.3 材料的物相分析與測試31-32
• 2.3.1 物相分析(XRD)31-32
• 2.3.2 熱重-差熱分析(TG-DSC)32
• 2.3.3 形貌分析(SEM)32
• 2.3.4 激光粒度分析儀32
• 2.4 電池的制作與電化學(xué)性能的測試32-36
• 2.4.1 電極片的制作32-33
• 2.4.2 扣式電池的組裝33-34
• 2.4.3 電池的測試34-36
• 第三章 固相法合成尖晶石型LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正極材料36-58
• 3.1 引言36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)條件36-37
• 3.3 煅燒溫度的確定37-42
• 3.3.1 前驅(qū)物DSC-TG熱分析37-38
• 3.3.2 材料的制備38
• 3.3.3 材料的物相分析(XRD)38-39
• 3.3.4 材料的形貌分析(SEM)39-40
• 3.3.5 電化學(xué)性能測試40-42
• 3.3.6 小結(jié)42
• 3.4 保溫時(shí)間的確定42-45
• 3.4.1 材料的物相分析(XRD)42-44
• 3.4.2 材料的形貌分析(SEM)44
• 3.4.3 電化學(xué)性能測試44-45
• 3.4.4 小結(jié)45
• 3.5 鋰過量值的確定45-49
• 3.5.1 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4材料的制備46
• 3.5.2 材料的物相分析(XRD)46-47
• 3.5.3 材料的形貌分析(SEM)47-48
• 3.5.4 材料的電化學(xué)性能分析48
• 3.5.6 小結(jié)48-49
• 3.6 球磨條件的確定49-54
• 3.6.1 材料的制備49
• 3.6.2 材料的物相分析(XRD)49-50
• 3.6.3 材料的形貌分析(SEM)50-51
• 3.6.4 材料的電化學(xué)性能測試51-54
• 3.6.5 小結(jié)54
• 3.7 不同電解液對LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正極材料電化學(xué)性能的影響54-55
• 3.7.1 電化學(xué)測試結(jié)果與討論54-55
• 3.8 本章小結(jié)55-58
• 第四章 摻雜不同金屬離子對LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4結(jié)構(gòu)和性能的影響58-72
• 4.1 引言58
• 4.2 Mn位摻雜不同金屬離子對LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4材料性能的影響58-64
• 4.2.1 LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料的制備58-59
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)合成材料的物相分析(XRD)59-60
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)合成材料的形貌分析(SEM)60-61
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)合成材料的電化學(xué)性能測試61-63
• 4.2.5 小結(jié)63-64
• 4.3 Ni位摻雜不同金屬離子對LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4材料性能的影響64-70
• 4.3.1 LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料的制備64
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)合成材料的物相分析(XRD)64-65
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)合成材料的形貌分析(SEM)65-66
• 4.3.4 實(shí)驗(yàn)合成材料的電化學(xué)性能測試66-68
• 4.3.5 鎳錳酸鋰不同位(Ni和Mn位)摻雜同種金屬離子電性能比較68-69
• 4.3.6 小結(jié)69-70
• 4.5 本章小結(jié)70-72
• 第五章 結(jié)論與展望72-74
• 5.1 結(jié)論72
• 5.2 展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 附錄80-82
• 致謝82-83

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 方海升;王志興;李新海;郭華軍;彭文杰;;LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的合成及性能[J];電池工業(yè);2006年03期

2 鄭雪萍,劉勝林,曲選輝;鋰離子電池正極材料的研究現(xiàn)狀[J];稀有金屬與硬質(zhì)合金;2005年03期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李君濤;鋰離子電池界面反應(yīng)研究[D];廈門大學(xué);2009年

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本文編號：995863