锂离子电池高电压正极材料镍猛酸锂的合成与改性研究

发布时间：2017-10-08 19:28

  本文关键词：锂离子电池高电压正极材料镍猛酸锂的合成与改性研究

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【摘要】：高电压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4拥有容量高、电压平台高、原材料资源丰富、安全性能好、对环境友好等特点,是非常具有应用前景的锂离子电池正极材料之一。但由于材料结构特点及合成工艺苛刻等原因,导致存在生产成本较高、循环稳定性较差的问题,严重制约了其规模化生产与应用。本文以优化镍锰酸锂的制备工艺和改善其循环稳定性能为目的,通过以Li2CO3, MnO2, NiO等为原料,采用易于工业化生产的固相合成法制备镍锰酸锂正极材料,并考察了制备工艺条件对材料结构和性能的影响。此外,采用X射线衍射、扫描电镜、充放电循环测试以及交流阻抗等分析检测手段对所合成材料的晶体结构、表面形貌以及电化学性能等进行表征。本文主要研究了不同煅烧温度(750℃、800℃、850℃、900℃),不同保温时间(6h、12h、18h、24h),不同锂过量值(Omo1、0.02mol、0.05mol、0.08mol)及不同球磨条件(150r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min)对LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的结构和电化学性能的影响,探索出固相法合成镍锰酸锂的最佳工艺参数(锂过量0.05mol,350r/min球磨转速,900℃保温12h)。在此工艺条件下合成的LiNi0.5Mn1.5O4在充放电过程中表现出较好的电化学性能,0.2C倍率下,首次放电比容量为125.3mAh/g,100次充放电循环后放电比容量为118.7mAh/g,容量保持率为94.7%。由于锂离子电池正极材料镍锰酸锂4.7V的高电压容易使电解液分解,所以电解液对材料电化学性能有着重要的影响。本文使用三种电解液对合成材料进行了电性能测试,结果表明,不同电解液对材料的电性能有很大影响,以LiPF6/(EC+DMC+EMC)作为电解液,材料表现出较好的循环性能。在获得最优工艺参数后,本文还对镍锰酸锂进行掺杂铁和铬的改性研究,分别合成了具有尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5-xMxO4/LiNi0.5-xMxMn1.5O4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料。研究发现,掺杂少量Fe和Cr(x=0.05),合成材料的尖晶石结构没有被破坏,样品仍具有完整立方尖晶石结构和较高的结晶度；其中Mn位掺杂样品中,LiNi0.5Mn1.45Fe0.05O4样品性能较好,样品容量衰减得到抑制,0.2C倍率下,其首次放电比容量分别为124.5mAh/g,经20次充放电循环,放电比容量为120.1mAh/g,容量保持率为96.5%。又对镍锰酸锂进行Ni位掺杂铁和铬实验,当掺杂量都为0.05时,Ni位掺杂Fe和Cr的样品LiNi0.45Mn1.5Fe0.05O4/ LiNi0.45Mn1.5Cro.05O4均表现出较好的电化学性能,0.2C倍率下其首次放电比容量分别为132.3mAh/g和133.8mAh/g,经20次充放电循环,放电比容量分别为132.5mAh/g和133.8mAh/g,循环过程中容量无衰减。以上实验结果表明,适当地对镍锰酸锂进行体相掺杂,不但不会降低材料的放电容量,还能提高材料的导电性,增强锂离子在脱嵌过程中的可逆性,有效抑制材料在充放电过程中的容量衰减,从而改善材料的循环性能,有助于获得电化学性能优异的镍锰酸锂正极材料。另外对比可知,掺杂量和掺杂位置都相同时,Fe离子掺杂效果好于Cr离子掺杂,但材料的高倍率放电性能还有待进一步提高。
【关键词】：锂离子电池 高电压正极材料 固相法 离子掺杂 电化学性能
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstarct7-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 前言12
• 1.2 锂离子电池简介12-15
• 1.2.1 锂离子电池的发展12-13
• 1.2.2 锂离子电池分类及结构13-14
• 1.2.3 锂离子电池工作原理14-15
• 1.3 锂离子电池正极材料15-19
• 1.3.1 锂离子正极材料的选择15
• 1.3.2 锂离子电池正极材料的研究现状15-19
• 1.4 尖晶石型正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_419-26
• 1.4.1 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的结构与性能19-20
• 1.4.2 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的充放电机理20-21
• 1.4.3 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的合成方法21-23
• 1.4.4 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4存在问题23
• 1.4.5 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的改性措施23-26
• 1.5 研究意义及内容26-30
• 1.5.1 研究意义26-27
• 1.5.2 研究内容27-30
• 第二章 实验仪器设备与方法30-36
• 2.1 实验原料30
• 2.2 实验仪器与设备30-31
• 2.3 材料的物相分析与测试31-32
• 2.3.1 物相分析(XRD)31-32
• 2.3.2 热重-差热分析(TG-DSC)32
• 2.3.3 形貌分析(SEM)32
• 2.3.4 激光粒度分析仪32
• 2.4 电池的制作与电化学性能的测试32-36
• 2.4.1 电极片的制作32-33
• 2.4.2 扣式电池的组装33-34
• 2.4.3 电池的测试34-36
• 第三章 固相法合成尖晶石型LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正极材料36-58
• 3.1 引言36
• 3.2 实验条件36-37
• 3.3 煅烧温度的确定37-42
• 3.3.1 前驱物DSC-TG热分析37-38
• 3.3.2 材料的制备38
• 3.3.3 材料的物相分析(XRD)38-39
• 3.3.4 材料的形貌分析(SEM)39-40
• 3.3.5 电化学性能测试40-42
• 3.3.6 小结42
• 3.4 保温时间的确定42-45
• 3.4.1 材料的物相分析(XRD)42-44
• 3.4.2 材料的形貌分析(SEM)44
• 3.4.3 电化学性能测试44-45
• 3.4.4 小结45
• 3.5 锂过量值的确定45-49
• 3.5.1 LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4材料的制备46
• 3.5.2 材料的物相分析(XRD)46-47
• 3.5.3 材料的形貌分析(SEM)47-48
• 3.5.4 材料的电化学性能分析48
• 3.5.6 小结48-49
• 3.6 球磨条件的确定49-54
• 3.6.1 材料的制备49
• 3.6.2 材料的物相分析(XRD)49-50
• 3.6.3 材料的形貌分析(SEM)50-51
• 3.6.4 材料的电化学性能测试51-54
• 3.6.5 小结54
• 3.7 不同电解液对LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正极材料电化学性能的影响54-55
• 3.7.1 电化学测试结果与讨论54-55
• 3.8 本章小结55-58
• 第四章 掺杂不同金属离子对LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4结构和性能的影响58-72
• 4.1 引言58
• 4.2 Mn位掺杂不同金属离子对LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4材料性能的影响58-64
• 4.2.1 LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料的制备58-59
• 4.2.2 实验合成材料的物相分析(XRD)59-60
• 4.2.3 实验合成材料的形貌分析(SEM)60-61
• 4.2.4 实验合成材料的电化学性能测试61-63
• 4.2.5 小结63-64
• 4.3 Ni位掺杂不同金属离子对LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4材料性能的影响64-70
• 4.3.1 LiNi_(0.5)_MxMn_(1.5)O_4(M=Fe、Cr,x=0、0.05)材料的制备64
• 4.3.2 实验合成材料的物相分析(XRD)64-65
• 4.3.3 实验合成材料的形貌分析(SEM)65-66
• 4.3.4 实验合成材料的电化学性能测试66-68
• 4.3.5 镍锰酸锂不同位(Ni和Mn位)掺杂同种金属离子电性能比较68-69
• 4.3.6 小结69-70
• 4.5 本章小结70-72
• 第五章 结论与展望72-74
• 5.1 结论72
• 5.2 展望72-74
• 参考文献74-80
• 附录80-82
• 致谢82-83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 方海升;王志兴;李新海;郭华军;彭文杰;;LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的合成及性能[J];电池工业;2006年03期

2 郑雪萍,刘胜林,曲选辉;锂离子电池正极材料的研究现状[J];稀有金属与硬质合金;2005年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李君涛;锂离子电池界面反应研究[D];厦门大学;2009年

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本文编号：995863