尖晶石型高電位正極材料鎳錳酸鋰的改性制備研究.pdf

1、尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4正極材料有著工作電位平臺高、比容量高、循環(huán)性能好、鎳、錳的原材料豐富和生態(tài)友好等優(yōu)點，是層狀LiCoO2的理想替代品之一?？墒荓iNi0.5Mn1.5O4正極材料至今未能被大規(guī)模商業(yè)化生產，主要限制因素如下：Mn的化學溶解；LixNi1-xO雜質的存在；高電位下電解液分解，等等。
　　本文從提高LiNi0.5Mn1.5O4正極材料的電化學性能出發(fā)，首先采用檸檬酸絡合輔助溶膠-凝膠法合成了LiNi

2、0.5Mn1.5O4正極材料，接著采用體相摻雜技術對其進行改性處理。利用XRD、SEM、CV、EIS以及恒流充放電循環(huán)測試等分析手段對合成的正極材料的物理和電化學性能進行了表征。研究內容包括：
　　(1)以檸檬酸為絡合劑，采用溶膠-凝膠法進行尖晶石正極材料的制備，考察了檸檬酸與鋰的摩爾比、硝酸根、燒結溫度與時間、退火處理、氨水滴加速率等因素對正極材料制備過程以及物理與電化學性能的影響。實驗發(fā)現，當檸檬酸/(Li)=3:1時，不能生

3、成凝膠，只能得到白色的膏狀物質，以此為前驅體所合成的樣品材料的電化學性能較差。而采用改進的溶膠-凝膠法可以合成電化學性能優(yōu)異的LiNi0.5Mn1.5O4正極材料，在800℃下燒結18h的正極材料的最大放電比容量為122.7 mAh g-1，20周循環(huán)后，容量保持率為93.2％。氨水的滴加速率對合成穩(wěn)定的凝膠體系十分的關鍵，當在最佳燒結條件下處理后，可以得到具有規(guī)整八面體形貌的尖晶石顆粒，表面較光滑。
　　(2)采用摻雜稀土金屬鉺

4、離子(Er3+)對尖晶石正極材料進行改性處理，合成了LiNi0.5Mn1.5-xErxO4(0≤ x≤0.02)正極材料。實驗發(fā)現，通過引入 Er3+能夠使LiNi0.5Mn1.5O4正極材料的晶體結構更為穩(wěn)定，同時提高了尖晶石材料的結晶度。適量的Er3+摻雜可以提高正極材料的首次放電比容量，并能大幅提高尖晶石正極材料的循環(huán)性能。在所制備的 Er3+摻雜樣品中，尖晶石型 LiNi0.5Mn1.4925Er0.0075O4正極材料展現了最

5、為優(yōu)異的電化學性能。在室溫下以0.5 C充放電循環(huán)，其首次放電比容量為120.6 mAh g-1,循環(huán)100圈后，容量保持率為93.0%。當循環(huán)倍率為0.2 C與2.0 C時，該正極材料的放電比容量分別為123.9 mAh g-1與104.7 mAh g-1，循環(huán)20圈后，循環(huán)倍率從2.0 C減小到0.2 C，容量恢復率達100%。交流阻抗譜分析表明，少量Er3+的引入能夠大幅降低尖晶石正極材料的電荷轉移阻抗，這有助于提高鋰離子在充放電