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锂离子电池正极材料的合成及中试生产技术研究

彭忠东

  本文系统地利用机械液相活化法研究了合成锂离子电池正极材料锰酸锂和钴酸锂的基础条件。研究表明合成原料、原料的配比以及热处理制度是影响产物电化学性能的关键因素。研究结果表明,电解二氧化锰和碳酸锂是合成锰酸锂的较佳原材料:Li/Mn在0.50-0.55的范围内所合成的锰酸锂具有较标准的正尖晶石结构和较好的充放电性能;采用连续三温区烧结法所合成的锰酸锂材料晶型较完整,具有较高的比容量和较优良的充放电循环性能。碳酸钴和四氧化三钴以及碳酸锂是合成钴酸锂的较佳原材料;Li/Co在0.98-1.05的范围内所合成的钴酸锂具有较标准的α-NaFeO_2型层状结构和较好的充放电性能;采用连续两温区烧结法所合成的钴酸锂材料晶型较完整,具有较高的比容量和较优良的充放电循环性能。本文重点研究了稀土掺杂对锰酸锂结构及电化学性能的影响。研究表明:用稀土修饰的锂离子电池正极材料锰酸锂(Li_xMn_(2-y)RE_(7y/6)O_4,0.95≤x≤1.1,0≤y≤0.3),具有较标准的尖晶石结构:掺入合适的稀土元素后所合成的材料具有更好的电化学可逆性能;同时也具有比较优良的高温性能。在掺杂稀土的基础上,对材料进行包覆钴的修饰,合成了包覆钴的复合化合物Li_xMn_(2-y-2)Co_2RE_(7y/6)O_4(0.95≤x≤1.1,0≤y≤0.3,0≤z≤0.3),所合成的正极材料的循环性能及容量都得到了进一步的提高。同时用晶体场理论分析了掺杂稀土及包覆钴在尖晶石型锰酸锂中的作用及机理。在实验室研究的基础上,我们重点研究了锰酸锂和钴酸锂的中试生产技术,建立了一条年产15吨钴酸锂的中试生产线和一条年产50吨锰酸锂的中试生产线。中试合成锰酸锂的工艺具有工艺简单,流程短,材料性能稳定优良,合成成本低等特点,将电解二氧化锰预处理后所合成的材料具有更优良的电化学性能;所合成的用稀土修饰的锂离子电池正极材料锂锰钴复合氧化物Li、Mn_(2-y-z)Co_zRE_(7y/4)O_4(0.95≤x≤1.1,0≤y≤0.3,0≤z≤0.5),循环300次后,容量衰减小于15%,同时也具有比较优良的高温性能。中试生产的钴酸锂产品与国外同类产品比较具有较高的容量以及优良的充放电循环性能及充放电效率。……   
[关键词]:锂离子电池;正极材料;锰酸锂;稀土掺杂;中试生产
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2002年