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锰基富锂材料Li1.2Mn0.54Ni0.13O2的制备与性能研究

作　者: 盛夏
导　师: 陈猛
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 应用化学
关键词: 锂离子电池 富锂 正极材料 梯度材料 掺杂
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近年来，锰基富锂材料以其高比容量、高电压、低成本等优势吸引着各方学者的关注，但是其较低的首次库伦效率和较差的倍率性能以及相对较低的循环性能极大的制约了它的实际应用。本文在综述了锰基富锂材料的研究现状之后，采用碳酸盐共沉淀-高温固相法合成了球形Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料，分析和研究了其形貌结构、组成及电化学性能，并对其进行了梯度浓度包覆改性和碳纳米管掺杂改性研究以解决其存在的性能问题。采用碳酸盐共沉淀法制备了粒径均匀的球形前躯体颗粒Mn0.66Co0.17Ni0.17CO3并用优化后的高温焙烧处理得到Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料。通过SEM、XRD、TG等手段对材料的组成和结构进行了表征，结果表明材料具有良好的层状结构且球形形貌好。充放电测试结果表明Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料0.1C倍率首次放电容量为283.9mAh/g，首次库伦效率为76.3%，50次充放电循环后容量保持率为92.2%。材料倍率性能一般但在不同倍率下的循环性能较好。实验制备了浓度梯度型GC-LMO材料以提升Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料的循环性能。该种材料以高比能量的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2为核心，高循环性能的Li1.13Mn0.47Ni0.2Co0.2O2为壳层，中间为浓度渐变的梯度过渡层，目的是在保持较高的容量的基础上提升材料的循环性能。通过横截面EDX测试证明了制备的材料具有所设计的浓度梯度，同时该材料在0.1C倍率下50次循环容量保持率为98%；1C倍率下500次循环后容量保持率为91.4%，较Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料72.1%的容量保持率有了大幅度的提升。实验通过前躯体掺杂碳纳米管制备具有3D孔道结构的CNT&x=0.5LMO材料提升Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料的首次库伦效率和倍率性能。充放电测试结果表明CNT&x=0.5LMO材料首次放电容量为303.2mAh/g，首次库伦效率为90.4%，首次效率有了较大幅度的提升。CNT&x=0.5LMO材料的1C首次放电容量为218.7mAh/g，相较于Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料1C首次放电容量（190.6mAh/g）提升了14.7%。电化学性能测试证明通过前躯体掺杂f-CNTs的方式制备具有3D孔道结构的正极材料可以提高材料的首次库伦效率和倍率性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 引言  11
  1.2 锂离子电池概述  11-15
    1.2.1 锂离子电池的发展历史  11-13
    1.2.2 锂离子电池的基本原理  13-15
  1.3 锂离子电池正极材料概述  15-17
  1.4 锂离子电池三元类材料研究进展  17-20
    1.4.1 锂离子电池三元类材料概述  17-18
    1.4.2 锂离子电池三元类材料研究进展  18-20
  1.5 锂离子电池富锂类材料研究进展  20-24
    1.5.1 锂离子电池富锂类材料概述  20-21
    1.5.2 锂离子电池富锂类材料机理研究进展  21-23
    1.5.3 锂离子电池富锂类材料改性研究进展  23-24
  1.6 本文主要研究目的与内容  24-26
第2章 实验设备和方法  26-36
  2.1 主要实验试剂和设备  26-27
  2.2 材料的制备方法  27-31
    2.2.1 球形前躯体 Mn_(0.66)Ni_(0.17)Co_(0.17)CO_3的制备  27-28
    2.2.2 梯度型球形前躯体的制备  28-29
    2.2.3 掺杂 CNTs 前躯体 Mn_(0.66)Ni_(0.17)Co_(0.17)CO_3的制备  29-30
    2.2.4 正极材料 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2制备  30-31
  2.3 材料的理化性能的表征方法  31-33
    2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)测试  31
    2.3.2 X-ray 衍射光谱(XRD)测试  31-32
    2.3.3 差式扫描量热-热重(DSC-TG)测试  32
    2.3.4 能量色散光谱(EDX)测试  32
    2.3.5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试材料  32-33
    2.3.6 振实密度测试  33
  2.4 材料的电化学性能测试  33-36
    2.4.1 电极的制备  33-34
    2.4.2 电池的组装  34
    2.4.3 恒流充放电性能测试  34
    2.4.4 电化学阻抗谱(EIS)测试  34-36
第3章 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的制备及性能研究  36-55
  3.1 引言  36
  3.2 共沉淀体系的选择与过程控制  36-40
    3.2.1 共沉淀体系的选择  36-37
    3.2.2 碳酸盐共沉淀反应过程 pH 的确定  37-40
  3.3 前躯体 Mn_(0.66)Co_(0.17)Ni_(0.17)CO_3的物理表征  40-43
  3.4 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2制备过程优化  43-48
    3.4.1 混料方式的对于材料最终形貌的影响  43-46
    3.4.2 焙烧气氛的优化  46-48
  3.5 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的物理表征  48-50
  3.6 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2的电化学性能表征  50-53
  3.7 本章小结  53-55
第4章 Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2材料改性研究  55-83
  4.1 梯度材料的制备  55-58
    4.1.1 梯度材料的设计思路与优点  55-57
    4.1.2 梯度材料制备过程设计  57-58
  4.2 梯度材料前躯体的表征  58-63
  4.3 梯度材料的表征  63-67
  4.4 梯度材料的电化学性能表征  67-71
  4.5 碳纳米管掺杂材料的制备  71-73
    4.5.1 碳纳米管掺杂原理与优点  71-72
    4.5.2 碳纳米管的预处理  72-73
  4.6 碳纳米管掺杂材料的物理表征  73-78
    4.6.1 碳纳米管和碳纳米掺杂前躯体的表征  73-76
    4.6.2 CNT& x=0.5LMO 材料的表征  76-78
  4.7 碳纳米管掺杂材料的电化学性能表征  78-80
  4.8 本章小结  80-83
结论  83-85
参考文献  85-91
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  91-92
致谢  92

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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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