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碳酸锰热解法制备尖晶石锰酸锂及其掺杂改性研究

作　者: 杨婧
导　师: 尹周澜
学　校: 中南大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 碳酸锰热解 LiMn2O4 掺杂 LiAlxMn2-xO4 LiMgxMn2-xO4
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 21次
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内容摘要


尖晶石锰酸锂具有锰资源丰富、成本低、对环境友好等优点,被认为是一种极具应用前景的锂离子二次电池正极材料。本文采用工业上常用的碳酸锰热解法制备锰氧化物前驱体,与Li2CO3混合后焙烧得到锂离子电池正极材料LiMn2O4,降低了LiMn2O4的合成成本；并在碳酸锰制备过程中以共沉淀方式掺入Al3+、Mg2+制备LilxMn2-xO4, LiMgxMn2-xO4(x=0.01,0.02,0.03,0.05,0.1),以改善材料的循环性能。通过XRD、SEM、ICP、交流阻抗和循环伏安等手段对样品的形貌、结构及电化学性能进行表征。对碳酸锰热解法制备尖晶石锰酸锂前驱体锰氧化物进行了研究。通过对碳酸锰制备过程中反应温度、反应液初始浓度、搅拌速度、‘进料速度、陈化时间及碳酸锰热解过程中热解时间和热解气氛等因素进行研究,确定了最优条件。在最优条件下制备的LiMn2O4颗粒结晶度较好,且颗粒大小分布均匀；其首次放电比容量为127.6mAh/g,首次充放电效率为88.9%,1C倍率下循环100次的容量保持率为80.1%。对掺杂LiAlxMn2-xO4、LiMgxMn2-xO4材料进行了研究。发现合成的前驱体及锰酸锂材料均无杂相存在；增加掺杂量,会使LiAlxMn2-xO4颗粒不断长大,LiMgxMn2-xO4颗粒减小并出现表面熔融现象。A13+的掺入,降低了材料的首次放电比容量,大大地提高了材料的循环性能,尤其是高温性能。常温下,材料在1C下循环100次的容量保持率由未掺杂时的80.2%提升到LiAl0.05Mn1.95O4的95.9%；高温(55℃)条件下,LiMn2O4容量衰减比常温下快,当A13+掺杂量达到x=0.05时,1C倍率下循环100次容量保持率由未掺杂的72.2%升高到90.7%。掺入Mg2+,材料的首次放电比容量衰减较少,循环性能提高,当掺杂量x=0.03时,LiMg0.01Mn1.95O4材料在常温和高温下首次放电比容量分别为113.2mAh/g和105.95mAh/g,1C下循环100次容量保持率分别为85%和82.4%。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 文献综述  9-21
  1.1 引言  9
  1.2 锂离子电池正极材料概述  9-14
    1.2.1 层状氧化物正极材料  10-12
    1.2.2 锰系尖晶石型正极材料  12-13
    1.2.3 橄榄石型磷酸盐系正极材料  13-14
  1.3 尖晶石LiMn_2O_4正极材料的研究  14-19
    1.3.1 尖晶石LiMn_2O_4的合成方法  14-16
    1.3.2 尖晶石LiMn_2O_4的不足  16-17
    1.3.3 尖晶石LiMn_2O_4的改性研究  17-19
  1.4 选题意义及研究内容  19-21
2 实验材料及表征方法  21-26
  2.1 实验原料与设备  21-22
    2.1.1 实验原料  21-22
    2.1.2 实验设备  22
  2.2 材料的表征  22-24
    2.2.1 X射线衍射分析  22
    2.2.2 扫描电镜分析  22
    2.2.3 差热-热重分析  22-23
    2.2.4 元素分析  23-24
    2.2.5 振实密度分析  24
    2.2.6 粒度分析  24
  2.3 材料的电化学性能测试  24-26
    2.3.1 电池的组装及电化学性能测试  24-25
    2.3.2 循环伏安及电化学阻抗测试  25-26
3 碳酸锰热解法制备尖晶石LiMn_2O_4的研究  26-49
  3.1 实验方法  26-27
  3.2 尖晶石LiMn_2O_4的合成  27
  3.3 碳酸锰的制备工艺研究  27-38
    3.3.1 反应温度对碳酸锰的影响  28-30
    3.3.2 反应物初始浓度对碳酸锰的影响  30-32
    3.3.3 反应搅拌速度对碳酸锰的影响  32-34
    3.3.4 NH_4HCO_3进料速率对碳酸锰的影响  34-36
    3.3.5 陈化时间对碳酸锰的影响  36-38
  3.4 碳酸锰热解过程的研究  38-43
    3.4.1 TG-DTA分析  38-40
    3.4.2 热解时间的确定  40
    3.4.3 热解气氛的研究  40-43
  3.5 优化条件制备的锰酸锂研究  43-47
  3.6 本章小结  47-49
4 液相Al离子、Mg离子掺杂锰酸锂的化学合成及性能研究  49-68
  4.1 Al离子掺杂研究  49-56
    4.1.1 LiAl_xMn_(2-x)O_4的化学合成  50
    4.1.2 成分分析  50
    4.1.3 结构分析  50-51
    4.1.4 形貌分析  51-53
    4.1.5 电化学性能分析  53-56
  4.2 Mg离子掺杂研究  56-63
    4.2.1 LiMg_xMn_(2-x)O_4的化学合成  56
    4.2.2 成分分析  56-57
    4.2.3 结构分析  57-58
    4.2.4 形貌分析  58-59
    4.2.5 电化学性能分析  59-63
  4.3 高温固相法掺杂与碳酸锰热解法掺杂制备锰酸锂材料性能对比  63-66
  4.4 本章小结  66-68
5 结论  68-70
参考文献  70-80
攻读硕士学位期间的主要研究成果  80-81
致谢  81

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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