基于动力学调控制备一维棒状锂离子电池锰基电极材料及其电化学性能研究

发布时间：2018-11-14 10:11

【摘要】：随着新能源汽车及混合动力汽车的飞速发展,开发具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为当前研究的主流趋势。但是,目前的锂离子电池性能仍不能满足日益增长的应用需求,而且锂离子电池电极材料的制备方法比较繁琐,对设备及工艺参数控制的要求较高,开发一种通用的、简单的、温和的合成锂离子电池电极材料的方法显得尤为必要。本文从调控反应动力学着手,系统研究了一系列锰基电极材料的制备及形貌调控,创新性地提出了一种基于乙醇/水混合溶剂调控制备高性能一维锰基电极材料的通用且温和的方法。主要研究内容包括以下几方面:1、在乙醇/水混合溶剂体系中,采用动力学调控的方法合成一维棒状锰基电极材料前驱体。以Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2富锂锰基材料的合成为例,测试前驱体反应过程中的浊度随时间变化曲线,研究快速反应过程中多元金属离子与草酸反应的动力学特性。乙醇的加入不仅加快了反应过程中的动力学速率,同时改变了镍、钴、锰的乙酸盐与草酸反应动力学的相对速率大小,此外还可以调控前驱体的形貌。利用该方法成功的制备出一系列具有均匀形貌的Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2、Li1.2Ni0.2Mn0.6O2富锂锰基,LiNi0.5Mn1.5O4 高电位镍锰等锰基正极材料以及NiMn204、ZnMn2O4二元过渡金属氧化物负极材料。结果显示:所制备得到的电极材料具有优异的电化学性能,一维富锂锰基电极材料Li1.2Ni0.13Co0.3Mn0.54O2在0.1 C和10C倍率下,放电比容量分别为297.1和151.0 mAh g-1,在2C倍率下、循环100次后其容量保持率达97%。该材料优异的倍率和循环性能主要归因于:一维微纳结构棒状材料能够有效的提高材料的电子传导速率和有效地缩短锂离子扩散过程中的扩散路径,从而能够提高倍率性能;而具有均匀形貌的微纳结构能够使锂离子在嵌入和脱出的过程中缓解充放电过程中的体积变化,从而提高循环性能。2、在乙醇/水混合溶剂体系中,采用分步共沉淀方法得到具有均匀形貌的草酸盐前驱体,通过煅烧可以得到一维微纳结构棒状的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元电极材料。通过调节[Ni2++Co2+]1/[Ni2++Co2+]2的比例,可以得到不同长径比的草酸盐前驱体,结果显示:[Ni2++Co2+]1/[Ni2++Co2+]2的比例越大,所得到棒状前驱体的长径比越大。同时还研究了该反应过程中LiAc的加入量对棒状前驱体长径比的影响。将该分步共沉淀方法制备得到的一维微纳结构棒状的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元电极材料与纳米颗粒的电化学性能进行对比,结果显示一维微纳结构棒状材料的电化学性能明显优于纳米粒子:在0.2 C和20 C倍率下,放电比容量分别为162.8和111.9 mAh g-1,首次库伦效率达87.1%,在0.5 C倍率下、循环500次后其容量保持率达87.3%。3、在乙醇/水混合溶剂体系中,采用共沉淀方法得到MC2O4·xH2O(M=Ni、Cu、Ag)前驱体,将前驱体在Ar/H2气氛下进行煅烧,可以得到包覆金属(M=Ni、Cu、Ag)与MnO复合产物M/MnO,并且包覆的金属均匀分布在MnO周围。将改性后的Ni/MnO用于锂离子电池负极。Ni/MnO材料表现出明显优于MnO的倍率性能和循环性能。其中,Ni:MnO=1:10的产物首次放电库伦效率达53.5%,在0.5 C倍率下放电比容量达635.5 mAh g-1,在10 C倍率下仍有195.9 mAh g-1的放电比容量,在0.5 C的电流密度下循环50次后放电比容量仍能达到785.7 mAhg-1。结果表明,M/MnO复合材料具有良好的电化学性能,这主要归因于,复合金属能够有效的改善过渡金属氧化物的导电性能,提高电子传导的速率。
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【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912;O646

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