锂离子电池正极材料磷酸锰锂的制备与改性

发布时间：2017-08-20 07:11

  本文关键词：锂离子电池正极材料磷酸锰锂的制备与改性

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【摘要】：锂离子电池作为一种新型化学电源,其能量瓶颈仍然是正极材料。磷酸锰锂(LiMnPO4)具有成本低、安全性好等优点,和磷酸铁锂相比具有更高的能量密度。因此,磷酸锰锂被研究者看作新一代动力锂电池正极材料,发展潜力巨大。但是,LiMnPO4的导电性和锂离子扩散速率较低,严重阻碍了它在动力电池上的应用。为了提高其导电性和离子扩散能力,相对普遍的方法是对材料进行纳米化处理、导电层包覆和杂原子掺杂。本论文开展了微波合成炭包覆LiMnPO4的研究,期望借助过程强化改善电极材料的结构,并通过杂原子掺杂尝试进一步提高其充放电行为。具体包括以下两个方面：(1)提出了通过两步微波溶剂热的方法来制备LiMnPO4的途径,制备出一种炭包覆LiMnPO4的纳米复合材料,通过改变工艺条件可以调控LiMnPO4不同晶面比例。所制备的富含优势晶面的含氮炭包覆纳米LiMnPO4在0.5 C的大电流密度下展现了159.5 mAhg-1的首次放电质量比容量,100次充电放电循环之后,仍然还保留155 mA h g-1的质量比容量,10 C下更是展现了118mAhg-1的倍率性能。电池低温测试实验表明,0.5 C的测试电流密度下,电池在8℃的环境下表现出147mAhg-1的质量比容量,而在2℃的环境下保持了常温容量的82.5%,可见制备得LiMnPO4正极材料具有优异的低温工作性能。这种优秀的电化学性能得益于LiMnPO4中富含优势晶面(002)晶面和富含氮元素的炭包覆层。这种两步微波途径大大缩短了合成时间,具有规模化制备的潜力。(2)采用等体积浸渍法,以大孔容炭为载体,在高浓度Li-Mn-PO4溶液体系,考察镁、钙、铈三种杂原子掺杂对LiMnPO4电极材料微观结构和电化学性能的影响。实验结果显示,原子直径较大的Ce原子掺杂有助于提高LiMnPO4的高倍率性能；相对而言,较小原子半径的Mg原子掺杂有助于提高LiMnPO4的低倍率性能。通过表征和文献对比推测,原子半径较大的杂原子在拓宽晶格间距,加快扩散的同时可能会造成晶体崩塌,减小容量,因此Li-Mn-PO4体系中掺杂组分的选择需要同时考虑两方面的因素。
【关键词】：新能源 磷酸锰锂 微波合成 优势晶面 掺杂 普遍性 炭载体
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-12
• 1 文献综述12-29
• 1.1 锂离子电池简介12-17
• 1.1.1 锂离子电池发展史12-13
• 1.1.2 锂离子电池的组成13-14
• 1.1.3 锂离子电池的工作原理14-15
• 1.1.4 锂离子电池的特点15-17
• 1.2 锂离子电池的电极材料17-23
• 1.2.1 锂离子电池的正极材料的要求17
• 1.2.2 锂离子电池正极材料发展简介17-18
• 1.2.3 几种传统的锂离子电池正极材料18-20
• 1.2.4 橄榄石型正极材料20-23
• 1.3 橄榄石型的磷酸锰锂23-28
• 1.3.1 概述23
• 1.3.2 磷酸锰锂的晶体结构23
• 1.3.3 磷酸锰锂样品合成方法23-27
• 1.3.4 磷酸锰锂的掺杂改性27-28
• 1.4 选题背景及主要研究内容28-29
• 2 实验29-33
• 2.1 实验仪器和实验试剂29-31
• 2.1.1 仪器部分表29-30
• 2.1.2 实验试剂部分表30-31
• 2.2 实验工艺流程31-32
• 2.2.1 电极片的制备31
• 2.2.2 扣式电池的组装31-32
• 2.3 具体工作32-33
• 2.3.1 两步微波溶剂法制备磷酸锰锂的具体条件32
• 2.3.2 体相掺杂实验32-33
• 3 两步微波溶剂热法制备纳米磷酸锰锂及其锂电性能33-50
• 3.1 前言33-34
• 3.2 实验过程与表征手段34-39
• 3.2.1 实验过程34-35
• 3.2.2 表征手段35-39
• 3.3 结果讨论与分析39-49
• 3.3.1 合成条件对LiMnPO_4的影响39-43
• 3.3.2 炭包覆对LiMnPO_4的影响43-49
• 3.4 本章小结49-50
• 4 系统研究杂原子掺杂对磷酸锰锂的电化学性能影响50-62
• 4.1 前言50-51
• 4.2 实验过程与表征手段51-54
• 4.2.1 实验过程51-52
• 4.2.2 表征手段52-54
• 4.3 结果讨论与分析54-61
• 4.3.1 前驱体溶液和前驱体炭材料的选定54-56
• 4.3.2 杂原子掺杂对LiMnPO_4的影响56-61
• 4.4 本章小结61-62
• 结论62-64
• 1 结论62-63
• 2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况69-70
• 致谢70-71

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本文编号：705225