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富锂锰基正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂的制备及改性研究

作　者: 管先统
导　师: 米常焕
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 物理化学
关键词: 锂离子电池高比容量正极材料富锂锰基层状氧化物碳酸盐共沉淀包覆改性
分类号: O646
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了满足当代电子元器件、电动汽车、智能电网的发展对高能量、高功率电池的需求，高比能量正极材料近年来成为了锂离子电池领域研究的热点。由于富锂锰基正极材料具有高的放电比容量和较高的工作电压以及低成本、绿色环保的优点，其作为传统的LiCoO₂正极潜在的替代材料，受到越来越多的关注。然而其本身结构复杂，且存在首次不可逆容量较高、倍率性能较差等缺点，因而材料的制备和改性研究显得尤为重要。本文采用了碳酸盐共沉淀法制备了富锂锰基正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂，并对其进行了包覆改性研究。具体内容如下：（1）利用碳酸盐共沉淀结合高温固相合成的方法制备富锂锰基正极材料Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂。着重考察了溶液pH值对共沉淀前驱体形貌和结构的影响，得出合成反应最佳pH值为7.8。对固相合成过程中的煅烧温度、烧结时间以及锂配比量等方面对材料的形貌结构和电化学性能的影响作了探讨。得出烧结温度为900°C，烧结12h，锂过量5%时制备得到的材料具有最好的电化学性能。（2）采用不同含量的非电化学活性的Al₂O₃对Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂进行表面包覆。Al₂O₃包覆后的材料保持了原先良好的层状结构，Al₂O₃在正极材料颗粒表面均匀包覆，包覆层与基体结合紧密。电化学测试表明1.5wt.%的Al₂O₃包覆显示出最高的首次充放电效率、最好的循环性能以及倍率性能。0.1C首次放电比容量从包覆前的232.5mAh g^-1，提高到266.8mAh g^-1，30圈容量保持率达到86.8%，5C下放电比容量提高了113.4%。（3）利用液相法对Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂进行了镍锰复合氧化物Ni_0.5Mn_1.5O_x包覆改性，并与纯相Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂以及等量尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄物理共混的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂材料进行了对比研究。成功的制备出了Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂-Li1-yNi_0.5Mn_1.5O_x层状富锂锰基高容量正极与尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄高压稳定正极的核壳复合结构正极材料。改性材料在2.0⁵.0V的宽电压窗口范围内0.1C下的放电比容量从包覆前的241.3mAh g^-1提高到256.8mAh g^-1，50次循环后容量保持率达到94%，并显示出优良的倍率性能，特别是在5C下，其放电比容量相对纯相试样提高了1.6倍。电化学性能远高于纯相的和尖晶石LiNi_0.5Mn_1.5O₄物理共混的Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂正极材料。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-25
  1.1 引言  13
  1.2 锂离子电池简介  13-15
    1.2.1 锂离子电池发展  13-14
    1.2.2 锂离子电池的工作原理  14-15
  1.3 锂离子电池正极材料  15-18
    1.3.1 橄榄石结构正极材料  15-16
    1.3.2 尖晶石结构正极材料  16
    1.3.3 层状结构正极材料  16-18
  1.4 富锂锰基正极材料研究进展  18-24
    1.4.1 富锂锰基正极材料研究背景  18
    1.4.2 富锂锰基正极材料的结构及充放电机理  18-20
    1.4.3 富锂锰基正极材料的合成方法  20-22
      1.4.3.1 高温固相合成法  20-21
      1.4.3.2 溶胶凝胶法  21
      1.4.3.3 共沉淀法  21
      1.4.3.4 其它合成方法  21-22
    1.4.4 富锂锰基正极材料的改性研究  22-24
      1.4.4.1 表面修饰  22-23
      1.4.4.2 体相掺杂  23
      1.4.4.3 其他改性方法  23-24
  1.5 本课题研究的主要内容  24-25
第二章 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的合成与性能  25-47
  2.1 引言  25
  2.2 实验部分  25-28
    2.2.1 实验试剂与仪器  25-26
    2.2.2 材料的制备  26-27
    2.2.3 材料表征  27-28
    2.2.4 材料的电化学测试  28
      2.2.4.1 电池的制备  28
      2.2.4.2 充放电性能测试  28
      2.2.4.3 循环伏安(CV)测试  28
  2.3 结果与讨论  28-46
    2.3.1 共沉淀制备前驱体参数优化  28-32
      2.3.1.1 共沉淀理论分析  28-29
      2.3.1.2 pH 值对前驱体影响  29-32
    2.3.2 富锂锰基正极材料 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的合成及性能  32-44
      2.3.2.1 合成反应机理  32-34
      2.3.2.2 煅烧温度对 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2性能的影响  34-38
      2.3.2.3 烧结时间对 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2性能的影响  38-41
      2.3.2.4 不同配锂量对 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2性能的影响  41-44
    2.3.3 优化条件下合成材料的性能  44-46
      2.3.3.1 循环伏安(CV)分析  44-45
      2.3.3.2 充放电性能  45-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的包覆改性研究  47-68
  3.1 引言  47
  3.2 实验部分  47-50
    3.2.1 实验试剂与仪器  47-49
    3.2.2 包覆正极材料的制备  49
    3.2.3 材料表征  49
    3.2.4 材料的电化学测试  49-50
      3.2.4.1 电池的制备  49
      3.2.4.2 充放电性能测试  49
      3.2.4.3 循环伏安(CV)测试  49
      3.2.4.4 交流阻抗(EIS)测试  49
      3.2.4.5 热稳定性(DSC)测试  49-50
  3.3 Al_2O_3包覆 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备和电化学性能研究  50-57
    3.3.1 Al_2O_3包覆 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备  50
    3.3.2 材料的结构分析  50-51
    3.3.3 材料的形貌分析  51-52
    3.3.4 材料的电化学性能  52-57
      3.3.4.1 循环伏安(CV)分析  52
      3.3.4.2 充放电性能  52-55
      3.3.4.3 交流阻抗(EIS)分析  55-57
  3.4 镍锰复合氧化物包覆 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备和电化学性能研究  57-67
    3.4.1 镍锰复合氧化物包覆 Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备  57-58
    3.4.2 材料的结构分析  58-59
    3.4.3 材料的形貌分析  59
    3.4.4 材料的电化学性能  59-67
      3.4.4.1 循环伏安(CV)分析  59-61
      3.4.4.2 充放电性能  61-64
      3.4.4.3 交流阻抗(EIS)分析  64-66
      3.4.4.4 热稳定性(DSC)分析  66-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章总结与展望  68-70
  4.1 总结  68-69
  4.2 展望  69-70
参考文献  70-79
致谢  79-80
在学期间的研究成果及发表的学术论文  80

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