锂离子电池正极材料单晶锰酸锂的合成及掺杂改性研究

发布时间：2019-07-05 08:47

【摘要】：尖晶石型锰酸锂是一种三维框架结构的正极材料，它的理论比容量为148mAh g-1，分别在3.9V和4.1V（vs Li+/Li）左右具有两个相对较高的电压平台。此外，它还具有原材料来源丰富、制备成本低、对环境污染小，安全性高以及耐过充能力强等优点，被认为是最有希望取代层状Ni、Co氧化物材料的锂离子电池正极材料。尖晶石型锰酸锂材料由于存在锰的溶解和Jahn-Teller效应导致其循环稳定性相对较差，本文合成的单晶锰酸锂及掺杂改性后的锰酸锂材料能在一定程度上改善其循环性能。 本文首先以二氧化锰和氢氧化锂为原料，，通过熔融浸渍法合成具有尖晶石结构的单晶锰酸锂纳米棒。以乙酸锰和过硫酸钠为原料，通过水热反应合成前驱体β-MnO2。基于TGA/DTA测试，确定了单晶锰酸锂的煅烧工艺为470℃预烧5h，再升温至750℃保温12h。XRD，FTIR和SEM结果表明，合成的单晶锰酸锂具有均一的棒状结构以及良好的结晶性。电化学性能测试结果表明材料在0.1C倍率下充放电时，其首次放电比容量可达126mAh g-1，且在100次循环之后容量保持率为91%。 本文还分别对尖晶石型锰酸锂材料进行Ni、Cu的部分掺杂取代Mn来改善其性能。采用共沉淀法分别合成镍含量相对高的LiNi0.5Mn1.5O4和LiCuxMn2-xO4材料，使Ni和Cu元素掺杂进入尖晶石型锰酸锂材料的晶格中，形成了结晶性良好、颗粒尺寸均一的锂离子电池正极材料。 研究了不同沉淀剂对制备的LiNi0.5Mn1.5O4材料的性能的影响，并在一定范围内探讨了最佳的镍的掺杂量（0.4~0.6）。通过循环伏安测试表明，以NH4HCO3为沉淀剂制备LiNi0.5Mn1.5O4材料可使Ni尽可能的沉淀完全，进一步进入到晶体结构中从而提高材料的循环性能。通过共沉淀法合成LiCuxMn2-xO4材料，分别研究了取代量、煅烧温度等因素对材料物理性能和电化学性能的影响。通过XRD和SEM结果分析，随着煅烧温度的升高，LiCuxMn2-xO4材料的形貌逐渐由棒状结构向八面体构型过渡，材料的结晶性在各个温度下也有所不同，其中在750℃下材料的结晶性最好。充放电测试表明，随着Cu取代量的增加，LiCuxMn2-xO4材料的首次放电容量逐渐下降，但循环性能逐渐稳定。当Cu取代量为0.05时，LiCuxMn2-xO4的整体性能最好。
[Abstract]:Spinel lithium manganate is a kind of cathode material with three-dimensional frame structure. Its theoretical specific capacity is 148mAh g 鈮

本文编号：2510409