富锂锰基正极材料倍率和循环性能的改性研究

发布时间：2016-10-22 20:05

  本文关键词：富锂锰基正极材料倍率和循环性能的改性研究，由笔耕文化传播整理发布。

《北京理工大学》 2015年

富锂锰基正极材料倍率和循环性能的改性研究

张琳静  

【摘要】：近年来，层状富锂锰基正极材料Li2MnO3·(1-x)LiMO2（M=Ni0.5Mn0.5或Ni1/3Co1/3Mn1/3）由于其具有高容量、低成本和环境友好等优点，已经引起了国内外研究学者们的广泛关注，很有希望成为下一代高性能锂离子电池用正极材料。但是此类材料在实际应用中仍存在一些问题：首次不可逆容量损失严重、安全性欠佳、倍率性能和循环性能差等。本文以Li1.2Ni0.2Mn0.6O2二元富锂材料和Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2三元富锂材料为研究对象，以改善材料的倍率性能和循环性能为主要目标，主要开展了以下几方面的研究内容：采用水热法合成了具有棒状纳米/微米分级结构的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2二元富锂材料；采用碳球辅助水热法合成了具有高倍率性能的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2二元富锂材料；采用水热法合成了具有多孔微米棒状结构的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2三元富锂材料；采用两步法（沉淀法和离子混合法）合成了有利于锂离子脱嵌的球形分级结构的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2三元富锂材料。 采用水热法和煅烧相结合的工艺制备出了具有棒状纳米/微米分级结构的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2二元富锂锰基正极材料。首先，以醋酸盐和草酸为原料，在水热反应过程中形成具有微米棒状结构的草酸盐前躯体；然后，草酸盐前躯体在高温煅烧过程中发生分解，得到具有棒状纳米/微米分级结构的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料。结果表明，该材料具有良好的循环性能和倍率性能，在0.1C倍率下的初始放电容量高达297mAh g-1，经过50周循环后容量仍能保持在266mAh g-1，1C倍率下循环30周后放电容量保持在212.2mAh g-1，是初始放电容量的97%，2C倍率下最高放电容量达214.3mAh g-1。 采用碳球辅助水热法制备出具有高倍率性能的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2二元富锂锰基正极材料。首先，以葡萄糖为碳源，采用水热法制备碳球；然后以醋酸盐和草酸为原料，将碳球加入其中，采用水热法和高温煅烧相结合制备Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料。研究了不同碳球加入量对材料形貌和电化学性能的影响，结果表明，加入碳球量为10wt%时得到的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2材料电化学性能最优。该材料在1C，2C和5C倍率下的最高放电容量高达238.7，219.3和204.8mAh g-1，而未使用碳球的材料最高放电容量仅205.8，187.4和137.5mAh g-1。 采用水热法和煅烧相结合的工艺制备出了具有多孔微米棒状结构的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2三元富锂锰基正极材料。在水热反应过程中形成具有微米棒状结构的草酸盐前躯体，然后在高温煅烧过程中草酸盐前躯体分解，得到多孔微米棒状Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2正极材料。电化学性能测试结果表明，该材料在0.1C倍率下的初始放电容量高达280.7mAh g-1，经过50周循环后，容量仍保持在245.7mAh g-1，且微米棒状结构得到保持，材料在1C，2C和5C倍率下的放电容量分别达到225.6，201.7和172.7mAh g-1，循环稳定性和倍率性能都明显优于溶胶-凝胶法合成的材料。 采用两步法合成了有利于锂离子脱嵌的球形分级结构的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2三元富锂锰基正极材料。首先，采用沉淀法合成具有海胆状的-MnO2前躯体，研究了沉淀反应时间对前躯体形貌的影响；然后，将-MnO2前躯体与镍盐、钴盐和锂盐混合后高温煅烧，通过离子混合和膨裂效应转化成具有球形分级结构的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2正极材料，其中，构成分级结构的一次纳米颗粒具有电化学活性表面优势生长的特征。结果表明，沉淀反应24h的-MnO2前躯体的形貌最优，制备出的Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2材料具有优异的倍率性能和循环性能，该材料在1C倍率充电，1C，2C和5C倍率放电时，经过100周循环后容量分别保持在212.7，190.9和164.3mAh g-1，，相对于最高放电容量而言，容量保持率均大于90%，更为突出的是，该材料具有良好的快速充电性能，2.1分钟内容量即可达到177.3mAh g-1，是0.1C倍率下容量70%左右。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

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