本文關(guān)鍵詞：富鋰層狀正極材料和鈦酸鋰材料的制備及其電化學(xué)性能的研究

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 富鋰正極材料 鈦酸鋰 包覆改性 電化學(xué)性能

【摘要】：隨著鋰離子電池越來越廣泛的應(yīng)用,所以對(duì)鋰離子電池材料的要求越來越高,高容量、高安全性、循環(huán)穩(wěn)定性好和倍率性好等。市場(chǎng)上的正極材料并不能滿足要求,鋰離子電池正極材料成為限制鋰電池大規(guī)模商業(yè)化的一個(gè)因素。在這種背景下,鋰離子電池富鋰層狀正極材料因?yàn)橛懈叩谋热萘�、較高的工作電壓平臺(tái)等特點(diǎn)引起了科研人員的注意。另外,鋰離子電池負(fù)極材料鈦酸鋰材料有著優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能,以及在鋰離子嵌入和脫出的過程中材料的結(jié)構(gòu)幾乎無變化,鈦酸鋰材料對(duì)于高性能的鋰離子電池已然成為最有潛力的負(fù)極材料。鑒于富鋰層狀正極材料和鈦酸鋰負(fù)極材料的以上特點(diǎn),本文對(duì)其進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究:一、采用共沉淀高溫固相合成法制備富鋰正極材料x Li2Mn O3·(1-x)Li Ni0.5Mn0.5O2(x=0.2,0.4,0.6,0.8),并系統(tǒng)探討了不同比例的x值、高溫煅燒的溫度,對(duì)于富鋰材料形貌與電化學(xué)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)利用XRD、SEM、EDS等測(cè)試技術(shù)對(duì)富鋰材料的物相結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行了表征,通過恒電流充放電測(cè)試手段、Zview擬合探討了材料的電化學(xué)性能,并進(jìn)行比較,確定最優(yōu)電化學(xué)性能的比例x值。XRD結(jié)果表明,樣品均為純相的層狀結(jié)構(gòu),SEM表明顆粒聚集成類球體,球體直徑大約3μm。充放電測(cè)試結(jié)果表明:共沉淀高溫固相合成法制備的富鋰正極材料0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2樣品具有最高的比容量和較好的循環(huán)性能,在2.5~4.8V、0.1C的倍率條件下的首次放電容量為226.8 m Ah g-1,經(jīng)過50圈充放電后,容量為215 m Ah g-1,容量保持率為94%。二、基于富鋰材料較差的倍率性能和較低的首次庫侖效率,本文對(duì)富鋰0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2材料進(jìn)行Li2Zr O3包覆研究,通過共沉淀高溫固相合成法制備0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2然后摻入Li2Zr O3再經(jīng)高溫處理得到Li2Zr O3包覆0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2的復(fù)合材料�？疾炝薒i2Zr O3摻入方式和摻入量對(duì)富鋰材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明:合成了Li2Zr O3包覆的樣品,沒有破壞0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2原有的晶格結(jié)構(gòu)。經(jīng)過Li2Zr O3包覆之后,最佳比例為2%,在0.1C時(shí)放電比容量為253 m Ah g-1比富鋰純樣的226.8 m Ah g-1有顯著提高。在電流密度為1 A g-1時(shí),2%-Li2Zr O3樣品的放電容量為145.5 m Ah g-1,比富鋰Pure的容量116.9 m Ah g-1有顯著提高。三、采用簡(jiǎn)單的固相合成法制備Zr摻雜的Li4Ti4.99Zr0.01O12(LTZO)樣品和Li2Zr O3(LZO)包覆Li4Ti5O12(LTO)的樣品。經(jīng)過Zr元素的摻雜和Li2Zr O3表面包覆的LTO仍然保持原有的晶格結(jié)構(gòu)。利用XRD、HRTEM、CV、GITT和恒電流充放電測(cè)試等測(cè)試技術(shù)對(duì)材料的物相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能進(jìn)行研究。Zr的摻雜和LZO包覆LTO對(duì)于提高鋰離子的擴(kuò)散能力起到了積極的作用。LTZO和LZO-LTO顯示了更高的比容量和更佳的倍率性能相比于純的LTO。LZO-LTO表現(xiàn)出最小的?V這歸功于Li2Zr O3包覆對(duì)于在充放電過程中鋰離子的脫出和重新嵌入是有幫助的。LTZO和LZO-LTO的初始放電比容量分別是164.8和168.1 m Ah g-1,比原有的純LTO的比容量150.2 m Ah g-1顯著提高。LTZO和LZO-LTO在電流密度為2 A g-1時(shí)的比容量分別高達(dá)96和106 m Ah g-1,這比LTO的33 m Ah g-1有顯著提高。提高的電化學(xué)性能歸因于鋰離子擴(kuò)散能力的提高。LTO、LTZO和LZO-LTO的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的最小值分別為5.97×10-17、7.8×10-16和1.85×10-15cm2 s-1,LTO的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)比LTZO和LZO-LTO的要小很多。四、將自制的富鋰層狀正極材料0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2與鈦酸鋰負(fù)極材料搭配制成全電池,采用正極限容與負(fù)極限容兩種搭配方式對(duì)全電池體系進(jìn)行電化學(xué)性能探究。發(fā)現(xiàn)全電池體系的電化學(xué)性能與半電池的電化學(xué)性能相比,循環(huán)穩(wěn)定性變得很差,容量衰減嚴(yán)重,比容量較低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不甚理想,關(guān)于全電池的探究有待進(jìn)一步研究。本文研究了富鋰層狀正極材料和負(fù)極鈦酸鋰材料的制備工藝,結(jié)構(gòu)特征與電化學(xué)性能的關(guān)系,為以后關(guān)于富鋰層狀材料與鈦酸鋰材料的基礎(chǔ)研究和理論指導(dǎo)提供了依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 富鋰正極材料 鈦酸鋰 包覆改性 電化學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ131.11;TM912
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 變量注釋表17-18
• 1 緒論18-31
• 1.1 引言18
• 1.2 鋰離子電池概述18-21
• 1.3 鋰離子電池正極材料的分類21-25
• 1.4 富鋰層狀正極材料的概述25-28
• 1.5 鈦酸鋰負(fù)極材料的研究進(jìn)展28-29
• 1.6 論文的研究意義和研究?jī)?nèi)容29-31
• 2 實(shí)驗(yàn)部分31-37
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑31-32
• 2.2 材料制備方法32-34
• 2.3 材料表征34-35
• 2.4 電化學(xué)性能測(cè)試35-37
• 3 xLi_2MnO_3·(1-x)LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2(x=0.2,0.4,0.6,0.8) 的共沉淀-固相合成法制備和電化學(xué)性能研究37-46
• 3.1 引言37
• 3.2 樣品合成37-38
• 3.3 結(jié)果與討論38-44
• 3.4 本章小結(jié)44-46
• 4 富鋰材料 0.4Li_2MnO_3·0.6Li Ni_(0.5)Mn_(0.5)O_2的Li_2ZrO_3包覆改性研究46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 樣品合成46-47
• 4.3 結(jié)果與討論47-54
• 4.4 本章小結(jié)54-56
• 5 L_4Ti_5O_(12)的Zr摻雜和Li_2ZrO_3包覆改性研究56-67
• 5.1 引言56-57
• 5.2 樣品合成57
• 5.3 結(jié)果與討論57-65
• 5.4 本章小結(jié)65-67
• 6 0.4Li_2MnO_3·0.6Li Ni_(0.5)Mn_(0.5)O_2‖Li_4Ti_5O_(12)全電池體系電化學(xué)性能探究67-74
• 6.1 引言67-68
• 6.2 樣品合成68
• 6.3 結(jié)果與討論68-72
• 6.4 本章小結(jié)72-74
• 7 結(jié)論74-76
• 參考文獻(xiàn)76-84
• 作者簡(jiǎn)歷84-86
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集86

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