锂离子电池正极材料的改性制备与性能研究
本文关键词：锂离子电池正极材料的改性制备与性能研究
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【摘要】：近年来，随着电动汽车的持续走热，锂离子电池成为研究的宠儿，特别是锂离子电池正极材料。尽管目前实验室和商业化的锂离子电池正极材料种类繁多，但是它们都存在各自的缺陷。本文针对两种比较热门的材料进行了改性研究，锰基富锂材料和磷酸铁锂，研究了它们的形貌、组成和电化学性能，并对它们具有优异电化学性能的机制进行了研究。 采用共沉淀法制备了Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2球形碳酸盐前驱体，并采用超声辅助的方式对其进行混锂，经过煅烧获得了棒状大晶粒的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料。通过XRD、SEM、TEM和XPS等手段对材料的结构和组成进行了表征，结果表明材料具有良好的层状晶型结构。电化学性能表征结果显示，在0.1C倍率时其首次的放电比容量高达298mAh g-1，100次之后的容量保持率为91.2%。同时材料具有良好的倍率性能，在1C条件下的最高放电比容量为190mAh g-1，经过100次循环，没有衰减的迹象。进一步对其100次循环之后的电极片进行了XRD和SEM分析，得知其特殊的形貌能够抵抗Li+嵌入/嵌出的破坏和过渡金属离子的溶出。 采用超声辅助混锂的方式制备了Li1.2Mn0.6Ni0.2O2，其前驱体同样采用沉淀法制备。通过SEM和TEM表征，表明该材料具有与Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2类似的棒状结构，证明了超声辅助混锂能够影响材料的结构和形貌。组装的电池在0.1C放电倍率下，最高放电比容量为245mAh g-1，100次循环之后的容量保持率为87.8%。此外采用静电纺丝的方法制备了三元锰基富锂正极材料，通过XRD和SEM表征，得知其形貌为纳米纤维状，但是不具备良好的层状结构和晶型，电化学结果显示电化学性能较差，有待进一步改进研究方案。 利用Super P对商业化的LiFePO4进行包覆，以提升其电化学性能。不仅在LiFePO4表面形成了二次碳层网络结构，，使其导电性有了显著提高，同时由于形成的这种特殊的结构，使其形成了电容器辅助电池碳层，即碳层能够作为类似电容器的功能而储存一定的电量，从而使包覆后的电极0.1C倍率下放电比容量达到193mAh g-1，超越了磷酸铁锂的理论比容量，同时倍率性能也得到很大的提高。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 棒状大晶粒 锰基富锂 磷酸铁锂
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第1章 绪论9-23
- 1.1 引言9-10
- 1.2 锂离子电池的原理及结构10
- 1.3 锂离子电池正极材料研究进展10-16
- 1.3.1 层状正极材料11-14
- 1.3.2 橄榄石结构正极材料14-15
- 1.3.3 尖晶石结构正极材料15-16
- 1.4 正极材料的改性研究16-21
- 1.4.1 优化微观结构17-18
- 1.4.2 表面包覆18-20
- 1.4.3 金属元素掺杂20-21
- 1.5 本课题主要研究内容21-23
- 第2章 实验材料与方法23-31
- 2.1 实验材料23-24
- 2.1.1 化学试剂23-24
- 2.1.2 实验仪器设备24
- 2.2 扣式电池的组装工艺24-26
- 2.2.1 电极片的制备24-25
- 2.2.2 扣式电池的组装25-26
- 2.3 实验方法26-27
- 2.3.1 锰基富锂材料的制备26
- 2.3.2 静电纺丝制备的富锂材料26-27
- 2.3.3 商业化磷酸铁锂的包覆27
- 2.4 材料的物理化学性质表征27-28
- 2.4.1 扫描电镜实验(SEM)27
- 2.4.2 X射线衍射(XRD)27
- 2.4.3 X射线能谱分析(EDS)27
- 2.4.4 X-射线光电子能谱（XPS）表征27-28
- 2.4.5 透射电镜表征(TEM)28
- 2.4.6 拉曼光谱分析28
- 2.5 材料的电化学性能测试28-31
- 2.5.1 循环伏安测试(CV)28
- 2.5.2 电池充放电及循环性能测试28-29
- 2.5.3 倍率性能测试29
- 2.5.4 电化学阻抗测试29-31
- 第3章 锰基富锂材料的制备和表征31-55
- 3.1 前言31
- 3.2 锰基富锂材料 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的制备和表征31-46
- 3.2.1 锰基富锂材料的 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2结构表征32-38
- 3.2.2 锰基富锂材料 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的电化学性能表征38-44
- 3.2.3 两种材料经过深度充放电之后的结构表征44-46
- 3.3 Li_(1.2)Mn_(0.6)Ni0._2O_2的制备和表征46-49
- 3.3.1 锰基富锂材料的 Li_(1.2)Mn_(0.6)Ni0._2O_2结构表征46-48
- 3.3.2 锰基富锂材料的 Li_(1.2)Mn_(0.6)Ni0._2O_2电化学性能表征48-49
- 3.4 纳米纤维富锂材料的制备和表征49-52
- 3.4.1 纳米纤维状的结构 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2及其前驱体结构表征49-51
- 3.4.2 纳米纤维状的结构 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的电化学表征51-52
- 3.5 本章小结52-55
- 第4章 商业化磷酸铁锂的包覆改性研究55-63
- 4.1 前言55
- 4.2 制备方法55-56
- 4.3 LFP-5 与 LFP-0 的结构表征56-59
- 4.3.1 X射线衍射56-57
- 4.3.2 拉曼分析57-58
- 4.3.3 扫描和透射电镜分析58-59
- 4.4 LFP-5 和 LFP-0 的电化学性能表征59-61
- 4.4.1 LFP-5 和 LFP-0 的循环性能和倍率性能59-60
- 4.4.2 LFP-5 和 LFP-0 的阻抗和循环伏安分析60-61
- 4.5 本章小结61-63
- 结论63-65
- 参考文献65-75
- 攻读学位期间发表论文与研究成果清单75-77
- 致谢77
【共引文献】
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