鋰離子電池用層狀錳酸鋰正極材料的制備和電化學性能研究.pdf

1、進入二十一世紀以來,人類所面臨的人口,資源和環(huán)境三大問題越來越突出,因此建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會成了這個時代的主體。在能源領(lǐng)域,尤其是世界電池領(lǐng)域,鋰離子二次電池因為其較高的能量密度和體積密度,安全性好,放電性能好,目前已廣泛應用于手機,移動電源,空間技術(shù)等領(lǐng)域。隨著電池生產(chǎn)成本的降低和電池綜合性能的提高,我們可以預見未來鋰離子電池的應用領(lǐng)域?qū)^續(xù)增大。正極材料的成本占鋰離子電池總成本的三分之一,并且決定了電池的容量,在商品鋰離

2、子電池中的正極材料中,通常使用的LiCoO2因鈷資源稀缺而導致其成本很高,尖晶石LiMn2O4的循環(huán)性能差(尤其是高溫環(huán)境下),LiNiO2基正極材料產(chǎn)品制備困難,迫切需要開發(fā)出具有市場競爭力的低成本,高性能的鋰離子電池正極材料。
　　 本文首先介紹了鋰離子電池的誕生和發(fā)展歷史,組成和工作原理,以及研究現(xiàn)狀。重點探索層狀錳酸鋰的制備方法,并對它們進行結(jié)構(gòu)和形貌的表征以及電化學性能的研究。具體研究工作如下:
　　 (1)以

3、MnCO3和LiOH.H2O為原料,在馬弗爐中直接制備出的是純凈的Li4Mn5O12電極材料以。XRD,SEM測試結(jié)果表明煅燒溫度,煅燒時間對產(chǎn)物的物相和形貌有很大的影響,750℃下制備的樣品有較好的物相結(jié)構(gòu)和形貌。充放電測試結(jié)果表明,隨著煅燒溫度的提高,產(chǎn)物的初始放電容量降低,但循環(huán)性能逐漸增強,低溫下制備的樣品容量衰減很厲害。750℃下制備的樣品的綜合電化學性能最好,首次放電容量為90.62mAh／g,但循環(huán)新能有待待改善,20次循

4、環(huán)后容量保持率為50％。改變充放電電流大小,發(fā)現(xiàn)Li4Mn5O12電極的容量和循環(huán)性能對電流大小很敏感。當電流由0.15mA變?yōu)?.5mA時,750℃下制備的樣品在前20次循環(huán)過程中容量逐漸增加,由最初的71.7mAh／g增加到89.2mAh／g,表現(xiàn)出了較好的循環(huán)性能。
　　 (2)氣氛爐條件下,XRD測試結(jié)果表明,在惰性氣氛下不同鋰源和煅燒工藝得到的產(chǎn)物不同,以Li2CO3和Mn2O3為原料能得到純凈的層狀LiMnO2樣品,

5、而以LiOH為鋰源一步煅燒后得到的是Mn2O3,MnO與LiMnO2的混合物。SEM測試結(jié)果表明,750℃下制備的樣品比600℃下制備的樣品層狀結(jié)構(gòu)更明顯。充放電測試結(jié)果表明LiMnO2電極首次充放電時有比較大的不可逆容量,在循環(huán)過程中有活化過程,經(jīng)過9次循環(huán)容量達到最大,由最初的109.2mAh／g增加到118.2mAh／g,此后開始逐漸衰減。因此今后應重點提高LiMnO2電極材料的首次充放電效率,并通過摻雜改進其循環(huán)性能。
　

6、　 (3)用水熱法制備錳酸鋰時,XRD測試結(jié)果表明以Mn2O3和LiOH.H2O為原料當鋰錳配比為1時,產(chǎn)物含Mn2O3雜相,鋰錳配比為10時能制備出純凈的層狀LiMnO2材料。以MnO2為錳源時得到的是Li4Mn5O12材料。SEM測試結(jié)果表明,150℃低溫下制備LiMnO2材料比在高溫195℃下制備的樣品有更好的的層狀結(jié)構(gòu)。充放電測試結(jié)果表明,隨著制備溫度的提高,LiMnO2樣品的首次充電電壓增加,而樣品的容量逐漸降低,220℃下