鋰離子電池正極材料LiMn-,2-O-,4-的合成及電化學(xué)性能研究.pdf

1、尖晶石LiMn2O4具有安全性好、電壓高、價(jià)格低廉及無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，符合鋰離子電池的高性能、低成本和環(huán)境友好的發(fā)展趨勢(shì)，是一種非常有應(yīng)用前景的鋰離子電池正極材料。但尖晶石LiMn2O4正極材料在電化學(xué)循環(huán)過程中易發(fā)生Jahn-Teller畸變以及Mn在電解液中的溶解而導(dǎo)致其容量的衰減。另外，LiMn2O4的高倍率性能也有待于改善。這些因素制約了LiMn2O4正極材料的實(shí)際應(yīng)用。本論文主要通過研究新的合成方法、利用元素?fù)诫s及材料表面包覆的技

2、術(shù)途徑來改善LiMn2O4正極材料的電化學(xué)性能。
　　 在材料合成方法探索方面，本文采用一種一步水熱法成功合成出了純相的尖晶石LiMn2O4正極材料。該方法具有合成工藝簡(jiǎn)單，合成溫度低，無(wú)需高溫?zé)崽幚淼忍攸c(diǎn)。合成的材料呈粒度分布均勻的規(guī)則八面體形貌。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，采用水熱法合成的正極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)性能，其放電容量在第3周達(dá)到最大值116.1 mAh/g，循環(huán)80周后仍保持在112.1 mAh/g，平均每周僅衰減0

3、.05 mAh/g(0.04％)，其循環(huán)性能明顯優(yōu)于采用高溫方法制備的材料。
　　 在離子摻雜改性方面，采用水熱法合成了各種陰離子摻雜材料。系統(tǒng)地研究了不同PO43-摻雜濃度對(duì)材料的物相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，PO43-離子摻雜減弱了Mn-O鍵的鍵能，增大了晶胞的體積，擴(kuò)充了鋰離子遷移的三維通道，更有利于鋰離子的嵌入與脫嵌，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)增加，從而改善了材料的電化學(xué)性能，尤其是高倍率充放電性能得到了提高。其中LiMn2

4、O3.97(PO4)0.03材料在20C的放電容量為93.7 mAh/g，保持其1C放電容量115.6 mAh/g的81.1％，表現(xiàn)出了優(yōu)異的高倍率放電性能。通過對(duì)各種陰離子摻雜對(duì)材料結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，各種離子摻雜材料的晶胞體積均不同程度的增大。雖然摻雜后材料的放電容量發(fā)生了不同程度的降低，但摻雜后材料的Warburg阻抗減小，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)增大，摻雜PO43-、BO33-、SO42-、SiO32-、Cl-、F-材料的高倍率循

5、環(huán)性能均得到了顯著的改善。
　　 在材料表面包覆改性方面，首先采用氧化還原法在室溫下合成出了粒度分布均勻的規(guī)則球形MnO2，然后以LiOH·H2O和制備的球形MnO2為前驅(qū)體，采用熔融浸漬法制備出了分散均勻的球形尖晶石LiMn2O4。其在室溫0.4C倍率下的首次放電比容量為121.8 mAh/g.循環(huán)100周后放電容量為90.0 mAh/g，容量保持率為79.3％0在高溫55℃，1C充放電倍率下的首次放電容量為120.4 mAh