硅酸锰锂正极材料的制备及改性研究

发布时间：2017-09-21 20:47

  本文关键词：硅酸锰锂正极材料的制备及改性研究

  更多相关文章： Li_2MnSiO_4 包覆 掺杂 磷酸根 结构稳定性

【摘要】：锂离子电池作为能量存储的重要器件,因其比容量高,比功率大和循环特性好等优势在新能源汽车领域占据着不可替代的重要位置。作为安全性好并且成本低廉的聚阴离子正极材料,硅酸锰锂凭其超高的理论比容量(333m Ah/g)和较高的电压平台(4.1V和4.5V)受到了众多研究者的广泛关注。然而硅酸锰锂正极材料存在纯相合成较难,电化学活性极低和循环容量衰减过快等三大问题。针对这些问题,本文采用混合溶剂热法制备中间产物来实现对材料的定向控制,选取淀粉为碳源对材料表面进行修饰以提高电子电导率,通过混合聚阴离子掺杂对材料的结构和电化学性能进行初步改性探究。首先,论文采用了混合溶剂热法制备中间产物Mn-Si-O来合成Li_2MnSiO_4,得到了具有正交相Pmnb结构的硅酸锰锂。通过控制原始反应物的尺寸大学可实现对硅酸锰锂晶粒尺寸的有效控制。同时,论文讨论了在混合溶剂热反应制备Mn-Si-O的过程中,温度和时间等对材料表面形貌的影响,优化了反应条件。采用淀粉作为碳源,分析了不同碳含量对材料的结构和晶粒尺寸的影响,确定选择最佳包覆量。其次,在碳包覆的基础上设计并合成了Li2+xMn_(1-x)[PO_4]x[SiO_4]_(1-x)O_4/C正极材料,研究了磷酸根掺杂对材料的结构和表面形貌的影响,测定了在室温25°C,0.05C的倍率和1.5-4.8V的电压范围下材料的电化学性能。结果显示磷酸根掺杂对材料的电化学容量有着明显的提升作用,同时对容量保持率也有一定的改善。在此基础上通过对材料在不同充放电次数下的动态结构进行研究发现,磷酸根掺杂对材料电化学循环过程中由锰氧四面体到锰氧八面体的转变有一定的抑制作用,从而控制材料的结构衰退。考虑到锂离子缺陷和磷酸根的有效作用,设计并合成了另一种混合聚阴离子正极材料Li2-xMn[PO_4]x[SiO_4]_(1-x) O_4/C,研究了不同x值下材料的结构,表面形貌和电化学性能,结果表明Li1.90Mn[PO_4]0.10[SiO_4]0.90O_4/C的放电循环性能最好,最高放电容量接近250mAh/g且30次循环后维持在150mAh/g左右。
【关键词】：Li_2MnSiO_4 包覆 掺杂 磷酸根 结构稳定性
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 前言9-20
• 1.1 引言9
• 1.2 锂离子电池概述9-11
• 1.3 正极材料概述11-13
• 1.3.1 过渡族金属氧化物正极材料11-12
• 1.3.2 聚阴离子正极材料12-13
• 1.4 硅酸锰锂概述13-19
• 1.4.1 基本结构和特性13-14
• 1.4.2 存在的问题14-15
• 1.4.3 晶体学相关理论15-17
• 1.4.4 常用制备工艺17-18
• 1.4.5 改性研究进展18-19
• 1.5 课题研究内容及意义19-20
• 第2章 实验原料与实验方法20-25
• 2.1 实验原料与试剂20
• 2.2 材料的合成与制备20-21
• 2.2.1 合成Mn-Si-O21
• 2.2.2 Li-Mn-Si-O的制备21
• 2.2.3 碳源包覆21
• 2.3 极片制备与电池组装21-22
• 2.4 材料的结构和形貌表征22-23
• 2.4.1 XRD分析22
• 2.4.2 SEM分析22
• 2.4.3 TEM分析22
• 2.4.4 XPS分析22-23
• 2.4.5 RAMAN分析23
• 2.4.6 TG分析23
• 2.5 材料的电化学性能表征23-25
• 2.5.1 循环伏安测试23
• 2.5.2 阻抗谱测试23-24
• 2.5.3 恒流充放电测试24-25
• 第3章 硅酸锰锂的定向合成与控制25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 实验部分25-26
• 3.2.1 中间产物的制备25
• 3.2.2 正极材料与碳包覆25-26
• 3.2.3 极片制备与电池组装26
• 3.3 结果与讨论26-32
• 3.3.1 硅酸锰锂的合成原理26-27
• 3.3.2 混合溶剂热反应的优化27-28
• 3.3.3 材料的尺寸和形貌控制28-30
• 3.3.4 碳包覆量的优化30-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 磷酸根对硅酸锰锂动态结构稳定性的影响33-44
• 4.1 引言33
• 4.2 实验部分33-34
• 4.2.1 正极材料的合成33
• 4.2.2 极片制备与电池组装33-34
• 4.3 结果与讨论34-42
• 4.3.1 混合聚阴离子掺杂的基本原理34-35
• 4.3.2 材料的结构分析35-37
• 4.3.3 材料的形貌分析37
• 4.3.4 材料的电化学性能分析37-39
• 4.3.5 材料的循环稳定性分析39-42
• 4.4 本章小结42-44
• 第5章 Li_(2-x)Mn[PO_4]_x[SiO_4]_(1-x)O_4/C的合成及性能研究44-50
• 5.1 引言44
• 5.2 实验部分44-45
• 5.2.1 正极材料的合成44
• 5.2.2 极片制备与电池组装44-45
• 5.3 结果与讨论45-48
• 5.3.1 材料的结构分析45-46
• 5.3.2 材料的形貌分析46-47
• 5.3.3 材料的电化学性能分析47-48
• 5.4 本章小结48-50
• 第6章 结论50-51
• 参考文献51-54
• 致谢54-56
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果56

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 邓超;孙言虹;马丽;董哲;尚宇;;硅酸锰锂-碳复合材料的合成与性能表征[J];化学工程师;2012年04期

2 赵宏滨;吴晓燕;李永;沈嘉年;徐甲强;;镁离子掺杂锂离子电池硅酸锰锂正极材料(英文)[J];硅酸盐学报;2011年07期

3 邓超;孙岩虹;马丽;董哲;尚宇;;硅酸盐基锂离子电池正极材料研究进展[J];化学工程师;2012年03期

4 温振凤;王存国;;锂离子电池硅酸锰锂电极材料的研究进展[J];化工科技;2012年04期

5 努丽燕娜;杨军;郑育培;王久林;;介孔硅酸锰镁可充镁电池正极材料的制备及其电化学性能研究[J];无机材料学报;2011年02期

6 ;[J];;年期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 翟鹏远;硅酸锰锂正极材料的制备及改性研究[D];清华大学;2015年

2 郑育培;新型可充镁电池正极材料硅酸钴镁的制备及性能研究[D];上海交通大学;2011年

，

本文编号：896793