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尖晶石锰酸锂正极材料的合成及其电化学特性研究

作　者: 李爽
导　师: 吕文中；张五星
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn2O4 固相反应法 FePO4表面包覆电化学性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,锂离子电池正极材料尖晶石LiMn2O₄受到人们的普遍关注。尖晶石LiMn2O₄工作电压高、能量密度高、安全性好、原材料来源丰富、价格低廉、无毒性、环境友好,是下一代锂离子电池正极材料的有力候选者之一。然而,尖晶石LiMn2O₄在循环过程中容量的迅速衰减严重制约了其广泛应用。目前的研究主要通过合成方法的优化、表面处理及元素掺杂等方法来改善尖晶石LiMn2O₄的循环性能,取得了一定进展。本论文首先用水热法在不同反应温度下保温12 h合成了纳米MnO₂前驱体,然后将其与Li₂CO₃混合,用固相法合成了尖晶石LiMn2O₄,系统地研究了合成过程中MnO₂前驱体、烧结温度及烧结时间对尖晶石LiMn2O₄产物电化学性能的影响。在优化工艺条件的基础上,采用FePO₄表面包覆对尖晶石LiMn2O₄材料进行了改性。实验中通过TG/DTA技术分析材料的热稳定性,使用XRD、SEM、HRTEM、EDAX对材料的结构、形貌及组成元素进行表征,利用电池测试系统、循环伏安技术、交流阻抗技术研究活性材料的电化学特性。研究表明:采用水热法能够合成不同晶型且颗粒尺寸、微观形貌存在一定差异的MnO₂,当反应温度为120℃,保温12 h时,所得β-MnO₂具有由细长的棒状单体组成的球形形貌,以其为前驱体通过固相烧结得到的LiMn2O₄结晶性好,颗粒尺寸小,并且保持了球形形貌,电化学性能最好;在固相法合成尖晶石LiMn2O₄材料的过程中,烧结温度和烧结时间也是影响最终产物电化学性能的重要因素,当烧结温度为750℃,烧结时间为20 h时所得LiMn2O₄材料的电化学性能最佳。采用FePO₄对尖晶石LiMn2O₄进行表面包覆有效的提高了材料的循环性能。其中,包覆1wt.% FePO₄的LiMn2O₄电化学性能最好,在1 C下首次放电比容量达117.2 mAh/g,100个循环后放电比容量还保持有98.4 mAh/g,容量保持率达84.0%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-27
  1.1 研究背景  9
  1.2 锂离子电池的概述  9-13
  1.3 锂离子电池正极材料  13-15
  1.4 LiMn_20_4 正极材料研究进展  15-25
  1.5 选题依据和研究内容  25-27
2 实验  27-35
  2.1 实验试剂及设备  27-28
  2.2 材料的合成  28-31
  2.3 材料的表征  31-32
  2.4 电极的制作及电池的组装  32
  2.5 LiMn_20_4 正极材料电化学性能测试  32-35
3 固相法合成尖晶石LiMn_20_4 的工艺研究  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 二氧化锰简介  35-38
  3.3 Mn0_2 前驱体对LiMn_20_4 材料电化学性能的影响  38-42
  3.4 烧结温度对LiMn_20_4 材料电化学性能的影响  42-45
  3.5 烧结时间对LiMn_20_4 材料电化学性能的影响  45-48
  3.6 本章小结  48-49
4 LiMn_20_4 正极材料的表面包覆改性研究  49-55
  4.1 引言  49
  4.2 FeP0_4 表面包覆对LiMn_20_4 材料电化学性能的影响  49-54
  4.3 本章小结  54-55
5 结论与展望  55-57
  5.1 结论  55-56
  5.2 展望  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-68
附录  68

尖晶石锰酸锂正极材料的合成及其电化学特性研究

内容摘要

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