富锂层状正极材料和钛酸锂材料的制备及其电化学性能的研究

发布时间：2017-09-27 10:21

  本文关键词：富锂层状正极材料和钛酸锂材料的制备及其电化学性能的研究

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【摘要】：随着锂离子电池越来越广泛的应用,所以对锂离子电池材料的要求越来越高,高容量、高安全性、循环稳定性好和倍率性好等。市场上的正极材料并不能满足要求,锂离子电池正极材料成为限制锂电池大规模商业化的一个因素。在这种背景下,锂离子电池富锂层状正极材料因为有高的比容量、较高的工作电压平台等特点引起了科研人员的注意。另外,锂离子电池负极材料钛酸锂材料有着优异的热稳定性和循环性能,以及在锂离子嵌入和脱出的过程中材料的结构几乎无变化,钛酸锂材料对于高性能的锂离子电池已然成为最有潜力的负极材料。鉴于富锂层状正极材料和钛酸锂负极材料的以上特点,本文对其进行了以下几个方面的研究:一、采用共沉淀高温固相合成法制备富锂正极材料x Li2Mn O3·(1-x)Li Ni0.5Mn0.5O2(x=0.2,0.4,0.6,0.8),并系统探讨了不同比例的x值、高温煅烧的温度,对于富锂材料形貌与电化学性能的影响。本实验利用XRD、SEM、EDS等测试技术对富锂材料的物相结构和微观形貌进行了表征,通过恒电流充放电测试手段、Zview拟合探讨了材料的电化学性能,并进行比较,确定最优电化学性能的比例x值。XRD结果表明,样品均为纯相的层状结构,SEM表明颗粒聚集成类球体,球体直径大约3μm。充放电测试结果表明:共沉淀高温固相合成法制备的富锂正极材料0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2样品具有最高的比容量和较好的循环性能,在2.5~4.8V、0.1C的倍率条件下的首次放电容量为226.8 m Ah g-1,经过50圈充放电后,容量为215 m Ah g-1,容量保持率为94%。二、基于富锂材料较差的倍率性能和较低的首次库仑效率,本文对富锂0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2材料进行Li2Zr O3包覆研究,通过共沉淀高温固相合成法制备0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2然后掺入Li2Zr O3再经高温处理得到Li2Zr O3包覆0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2的复合材料。考察了Li2Zr O3掺入方式和掺入量对富锂材料的结构和电化学性能的影响。测试结果表明:合成了Li2Zr O3包覆的样品,没有破坏0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2原有的晶格结构。经过Li2Zr O3包覆之后,最佳比例为2%,在0.1C时放电比容量为253 m Ah g-1比富锂纯样的226.8 m Ah g-1有显著提高。在电流密度为1 A g-1时,2%-Li2Zr O3样品的放电容量为145.5 m Ah g-1,比富锂Pure的容量116.9 m Ah g-1有显著提高。三、采用简单的固相合成法制备Zr掺杂的Li4Ti4.99Zr0.01O12(LTZO)样品和Li2Zr O3(LZO)包覆Li4Ti5O12(LTO)的样品。经过Zr元素的掺杂和Li2Zr O3表面包覆的LTO仍然保持原有的晶格结构。利用XRD、HRTEM、CV、GITT和恒电流充放电测试等测试技术对材料的物相结构和电化学性能进行研究。Zr的掺杂和LZO包覆LTO对于提高锂离子的扩散能力起到了积极的作用。LTZO和LZO-LTO显示了更高的比容量和更佳的倍率性能相比于纯的LTO。LZO-LTO表现出最小的?V这归功于Li2Zr O3包覆对于在充放电过程中锂离子的脱出和重新嵌入是有帮助的。LTZO和LZO-LTO的初始放电比容量分别是164.8和168.1 m Ah g-1,比原有的纯LTO的比容量150.2 m Ah g-1显著提高。LTZO和LZO-LTO在电流密度为2 A g-1时的比容量分别高达96和106 m Ah g-1,这比LTO的33 m Ah g-1有显著提高。提高的电化学性能归因于锂离子扩散能力的提高。LTO、LTZO和LZO-LTO的锂离子扩散系数的最小值分别为5.97×10-17、7.8×10-16和1.85×10-15cm2 s-1,LTO的锂离子扩散系数比LTZO和LZO-LTO的要小很多。四、将自制的富锂层状正极材料0.4Li2Mn O3·0.6Li Ni0.5Mn0.5O2与钛酸锂负极材料搭配制成全电池,采用正极限容与负极限容两种搭配方式对全电池体系进行电化学性能探究。发现全电池体系的电化学性能与半电池的电化学性能相比,循环稳定性变得很差,容量衰减严重,比容量较低。实验结果不甚理想,关于全电池的探究有待进一步研究。本文研究了富锂层状正极材料和负极钛酸锂材料的制备工艺,结构特征与电化学性能的关系,为以后关于富锂层状材料与钛酸锂材料的基础研究和理论指导提供了依据。
【关键词】：锂离子电池 富锂正极材料 钛酸锂 包覆改性 电化学性能
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM912
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 变量注释表17-18
• 1 绪论18-31
• 1.1 引言18
• 1.2 锂离子电池概述18-21
• 1.3 锂离子电池正极材料的分类21-25
• 1.4 富锂层状正极材料的概述25-28
• 1.5 钛酸锂负极材料的研究进展28-29
• 1.6 论文的研究意义和研究内容29-31
• 2 实验部分31-37
• 2.1 实验仪器与试剂31-32
• 2.2 材料制备方法32-34
• 2.3 材料表征34-35
• 2.4 电化学性能测试35-37
• 3 xLi_2MnO_3·(1-x)LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2(x=0.2,0.4,0.6,0.8) 的共沉淀-固相合成法制备和电化学性能研究37-46
• 3.1 引言37
• 3.2 样品合成37-38
• 3.3 结果与讨论38-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 富锂材料 0.4Li_2MnO_3·0.6Li Ni_(0.5)Mn_(0.5)O_2的Li_2ZrO_3包覆改性研究46-56
• 4.1 引言46
• 4.2 样品合成46-47
• 4.3 结果与讨论47-54
• 4.4 本章小结54-56
• 5 L_4Ti_5O_(12)的Zr掺杂和Li_2ZrO_3包覆改性研究56-67
• 5.1 引言56-57
• 5.2 样品合成57
• 5.3 结果与讨论57-65
• 5.4 本章小结65-67
• 6 0.4Li_2MnO_3·0.6Li Ni_(0.5)Mn_(0.5)O_2‖Li_4Ti_5O_(12)全电池体系电化学性能探究67-74
• 6.1 引言67-68
• 6.2 样品合成68
• 6.3 结果与讨论68-72
• 6.4 本章小结72-74
• 7 结论74-76
• 参考文献76-84
• 作者简历84-86
• 学位论文数据集86

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本文编号：929136