锂离子电池正极材料的结构设计与电化学性能研究

发布时间：2017-05-20 03:14

  本文关键词：锂离子电池正极材料的结构设计与电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,在传统化石能源过度消耗导致环境问题(例如温室效应、酸雨等)日益严重的背景下,移动电子市场的进一步发展、可再生能源(例如太阳能、潮汐能)等的固有间歇性、电动汽车需求量的增加都对绿色高效的能量存储与转化系统提出了更高的要求。锂离子电池在所有二次电池中具有最高的体积能量密度和质量能量密度,是最重要的能量存储转化技术之一。为了进一步克服传统锂离子电池所具有的不足,锂离子电池正极材料的开发扮演了重要的角色。本文综述了锂离子电池正极材料的研究进展以及锂离子电池正极材料的发展历程,以低环境毒性和低成本为出发点选取了无钴的Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2和低钴的LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2锂离子电池正极材料作为研究对象,并分别对二者进行了纳米结构优化和电化学性能研究。主要研究内容如下:(1)合成有序介孔二氧化硅KIT-6。以KIT-6为模板合成了具有有序介孔结构的Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2锂离子电池正极材料。所合成的正极材料具有4.882 nm的平均孔径和60.682 m2 g-1的较大比表面积。所合成的介孔材料和使用溶胶凝胶法合成的大粒径材料具有基本相同的晶体结构。当将它们用作锂离子电池正极材料时,0.2 C循环50周后,介孔材料的放电比容量为210 mA h g-1,容量保持率为84%,而使用溶胶凝胶法合成的材料的放电比容量为175 mA h g-1,容量保持率也相对较低,为81%。该研究通过使用模板法对Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的电化学性能进行了优化。(2)使用共沉淀法生成Ca0.2Co0.4Mn0.4CO3微米球。碳酸盐微米球经过煅烧、蚀刻去除CaCO3和进一步煅烧后获得多孔球形CoMnO3模板。将CoMnO3和硝酸锂和硝酸镍混合并煅烧后最终获得多孔球形纳米-微米层级结构LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2锂离子电池正极材料。层级结构LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2作为锂离子电池正极材料时的电化学性能得到了较大的提升。0.2 C倍率下75周充放电循环后其放电比容量为159 mA h g-1,容量保持率为98.7%。1 C倍率充放电循环100周后的放电比容量为133.2 mA h g-1,容量保持率为90%。其在5 C的高放电倍率下(750 mA g-1)仍然具有135.5 mA h g-1的放电比容量。
【关键词】：锂离子电池 三元材料 富锂材料 纳米蚀刻 硬模板法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池简介11-14
• 1.3 锂离子电池起源14-16
• 1.3.1 早期研究14
• 1.3.2 熔融盐体系14-15
• 1.3.3 复合导体的概念15
• 1.3.4 早期的嵌入概念15-16
• 1.4 锂离子电池的出现16-17
• 1.4.1 二硫族化物的嵌锂16
• 1.4.2 氧化物嵌锂16-17
• 1.5 层状氧化物和商业化17-18
• 1.5.1 层状氧化物的早期研究17
• 1.5.2 锂钴层状氧化物17-18
• 1.5.3 锂镍层状氧化物18
• 1.6 第二代锂离子电池18-22
• 1.6.1 尖晶石18
• 1.6.2 其他种类的层状结构氧化物18-21
• 1.6.3 含铁化合物（磷酸盐）21-22
• 1.7 纳米结构锂离子电池正极材料22-24
• 1.7.1 纳米结构材料概述22-23
• 1.7.2 纳米-微米层级结构锂离子电池正极材料23
• 1.7.3 介孔结构锂离子电池正极材料23-24
• 1.8 本章小结24-25
• 第二章 实验药品和材料测试分析方法25-35
• 2.1 实验药品25-26
• 2.2 分析测试方法26-35
• 2.2.1 X-射线衍射（XRD）26-27
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）27-28
• 2.2.3 透射电子显微镜（TEM）28-30
• 2.2.4 能量弥散X射线谱法(EDX)30
• 2.2.5 X射线光电子能谱法(XPS)30-31
• 2.2.6 BET测试31-32
• 2.2.7 恒电流充放电测试32
• 2.2.8 循环伏安法(CV)32-33
• 2.2.9 电化学阻抗谱法（EIS）33-35
• 第三章 介孔Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备与性能研究35-44
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验36-37
• 3.2.0 模板的合成36
• 3.2.1 材料的合成36-37
• 3.2.2 材料表征37
• 3.2.3 电化学性能测试37
• 3.3 结果与讨论37-42
• 3.3.1 形貌观测37-38
• 3.3.2 结构和成分分析38-40
• 3.3.3 电化学性能分析40-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 多孔纳米-微米层级LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2的制备与性能研究44-57
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验45-47
• 4.2.1 材料合成45-46
• 4.2.2 材料表征46
• 4.2.3 电化学性能测试46-47
• 4.3 结果与讨论47-56
• 4.3.1 形貌观测47-49
• 4.3.2 结构和成分分析49-53
• 4.3.3 电化学性能分析53-56
• 4.4 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-66
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单66-67
• 致谢67

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