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锂离子电池正极材料LiMn_2O_4的合成及其改性研究

刘桥生

   锂离子二次电池具有高的体积能量密度和质量能量密度,且工作电压高,无记忆效应,循环寿命长,已成为21世纪电池的主体。尖晶石LiMn2O4作为锂离子电池正极材料,具有廉价、毒性低、环境友好以及Mn资源丰富等优势而受到广泛关注。本文概述了锂离子电池的工作原理、结构优势和正极材料的的研究进展,介绍了尖晶石锰酸锂的研究现状。研究了合成LiMn2O4的两种新方法。针对其循环过程中发生的容量衰减问题,分别采用了Fe元素掺杂、改进合成方法和表面包覆,对尖晶石LiMn2O4正极材料进行了改性研究。 通过EDTA溶胶凝胶法制备了正极材料LiMn2O4和LiFexMn2-xO4 (x=0, 0.05)的超细粉体,采用热分析测试,X射线衍射等表征手段和伏安循环等电化学性能测试确定了锰酸锂的较优合成工艺,研究表明采用600 oC合成的尖晶石LiMn2O4材料具有很高的质量比容量(0.5 C,120.2 mAh·g-1),50次循环后容量保持为初始容量的70%。通过Fe部分掺杂后,比容量虽然稍有下降为113.6 mAh·g-1,但材料的循环性能得到了很大提高,50次循环后的比容量仍有首次容量的83%。 以廉价的Li2CO3和MnO2为原料,以毒性很低的有机溶剂丙酮为液相分散剂,通过液相活化和机械活化,采用两步煅烧使反应物更均匀混合,制得了结晶度高的,纯相的尖晶石锰酸锂正极材料。经过电化学性能表征得出合成的材料不仅具有高的质量比容量(0.2 C,3.3 - 4.4 V电压范围内,初始放电容量为117 mAh·g-1)和循环稳定性(40次循环后容量仍保持为首次容量的94%),同时材料的倍率性能相比传统固相法也有极大提高。改进固相法合成尖晶石锰酸锂因其合成工艺简单易操作,所用合成原材料价格低廉,同时制得的LiMn2O4表现出了优秀的电化学性能,所以此方法具备商业化应用的很大潜力。 研究了通过液相沉淀法在LiMn2O4表面包覆Al2O3后,对材料高温电化学性能的影响。采用缓冲溶液液相沉淀法,Al(OH)3能非均匀的成核,从而使得LiMn2O4表面形成的Al2O3层很薄,因此不仅没有对Li+的脱嵌造成阻碍,同时有效的保护了LiMn2O4表面不受电解液的侵蚀,减少了Mn的溶解,从而提高的材料的高温循环稳定性。……   
[关键词]:锂离子电池;正极材料;尖晶石LiMn_2O_4;低价阳离子掺杂;金属氧化物包覆
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年