湿化学合成法制备磷酸锰锂锂离子电池正极材料及性能研究

发布时间：2017-06-20 10:06

  本文关键词：湿化学合成法制备磷酸锰锂锂离子电池正极材料及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：橄榄石型锂离子电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)的成功商业化,激发了科研工作者对具有更高理论能量密度的其同系物磷酸锰锂(LiMnPO4)的研究热情。LiMnPO4正极材料具有材料来源广泛、生产成本低、环境友好、安全性高的优点,很有希望成为下一代锂离子电池正极材料的选择之一。但是,其锂离子为一维的扩散方向,电子电导和锂离子扩散系数都比较小,且存在Mn3+的Jahn-Teller效应,造成锰元素溶解和结构不稳定,因此其倍率性能和循环性能较差。本文首先采用溶剂热法,采用不同的锰源、锂源,调节原料的比例、反应温度、溶剂种类等参数合成了一系列形貌的LiMnPO4纳米材料。研究发现前驱体中原料比例为影响LiMnPO4形貌的关键试验参数,比例不同,颗粒尺寸与微观形貌则会不同。纯相LiMnPO4材料合成的尺寸大小在2μm到30 nm之间。研究发现30 nm左右大小的类球形颗粒和50 nm左右的薄片状两种最小的LiMnPO4材料的放电容量为约80～100 mAh g-1。在此基础上,以乙酸锂、磷酸和氯化亚锰为原料,采用溶剂热法,确认了原料比例在2.5～5：1：1范围内可以合成纯相的磷酸锰锂。调节锂源的比例,SEM结果表明获得了类梭形的长约100 nm的LiMnPO4材料,TEM结果表明颗粒表面由一层约2 nm厚的碳层。在锂磷锰的摩尔比在5～6：1：1的条件下,材料的电化学性能最好。在0.05,1,5,20C电流下的放电容量分别为157.33,124.06,99.26和71.77 mAh g-1,在1C和5C下循环200次后容量保持率分别为77%和72%。采用多元醇法对以原料为乙酸锂、磷酸和氯化亚锰,比例为5：1：1的试样进行了放大实验。在160℃下可以合成纯相LiMnPO4,电化学测试结果表明反应2小时的试样,在0.05C和10C电流下的放电容量有123.74和83.59 mAh g-1。采用喷雾干燥法对用多元醇方法LiMnPO4纳米颗粒进行二次造粒获得5微米左右的核桃形颗粒,利用PVP和蔗糖作为碳源高温处理在颗粒表面包覆一层碳,结果表明包碳后的材料仍然可以维持球形的形貌,表面为碳化处理后形成的疏松多孔结构。电化学性能测试结果表明此种材料的倍率性能衰减非常少,在0.05 C、10C和20 C下的放电容量分别为116.06,91.09,83.08 mAh g-1。这表明该材料初步具备了产业化应用的前景。
【关键词】：锂离子电池 正极 磷酸锰锂 溶剂热 多元醇 喷雾干燥
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 锂离子电池简介10-16
• 1.1.1 锂离子电池简史10-11
• 1.1.2 锂离子电池的结构11-13
• 1.1.3 锂离子电池工作原理13-14
• 1.1.4 锂离子电池的特点14-16
• 1.2 锂离子电池正极材料16-24
• 1.2.1 钴酸锂(LiCoO_2)17-18
• 1.2.2 镍酸锂(LiNiO_2)18-19
• 1.2.3 锰酸锂(LiMn_2O_4)19-20
• 1.2.4 三元材料20-21
• 1.2.5 磷酸铁锂(LiFePO_4)21-24
• 1.3 锂离子电池正极材料LiMnPO_4的研究进展24-31
• 1.3.1 制备方法24-29
• 1.3.2 改进策略29-31
• 1.4 选题依据及主要研究内容31-32
• 第二章 试验方法32-38
• 2.1 材料合成所需原料及仪器32-34
• 2.1.1 实验药品与材料32-33
• 2.1.2 实验仪器33-34
• 2.2 材料合成方法34-35
• 2.2.1 LiMnPO_4的湿化学法制备34
• 2.2.2 LiMnPO_4的碳包覆34-35
• 2.2.3 喷雾造粒的LiMnPO_4碳包覆35
• 2.3 材料表征方法35-37
• 2.3.1 材料检测与性能表征设备35
• 2.3.2 材料物理性能表征35-36
• 2.3.3 材料电化学性能表征36-37
• 2.4 材料的命名37-38
• 第三章 锂源磷源比例对LiMnPO_4溶剂热法制备的影响38-56
• 3.1 Mn(Ac)_2为锰源溶剂热合成类球形纳米LiMnPO_439-46
• 3.1.1 材料的制备39-40
• 3.1.2 材料的物相与形貌分析表征40-45
• 3.1.3 材料的电化学性能测试45-46
• 3.2 MnCl_2为锰源溶剂热合成片状LiMnPO_446-51
• 3.3 反应温度对片状LiMnPO_4材料合成的影响51-52
• 3.4 反应溶剂对材料形貌的影响52-53
• 3.5 本章小结53-56
• 第四章 溶剂热法制备高性能纳米LiMnPO_456-70
• 4.1 高性能纳米LiMnPO_4材料的溶剂热法制备56-57
• 4.2 高性能纳米LiMnPO_4材料的表征57-60
• 4.3 高性能纳米LiMnPO_4材料的电化学性能表征60-66
• 4.4 碳含量对性能的影响66-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 喷雾干燥辅助多元醇法制备微米球状LiMnPO_4/C70-80
• 5.1 LiMnPO_4/C微米球的制备70-72
• 5.1.1 多元醇法制备LiMnPO_4纳米材料70-71
• 5.1.2 喷雾干燥法制备LiMnPO_4/C微米球71-72
• 5.2 LiMnPO_4/C微米球的表征72-75
• 5.2.1 LiMnPO_4物相分析72-73
• 5.2.2 LiMnPO_4和LiMnPO_4/C的形貌分析73-75
• 5.3 LiMnPO_4/C的电化学性能表征75-77
• 5.4 本章小结77-80
• 第六章 结论80-82
• 参考文献82-92
• 致谢92-94
• 个人简历94-96
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文与专利96

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