正极材料尖晶石锰酸锂的制备及高温性能研究

【摘要】：为了加快储能和动力锂离子电池的发展，本研究着眼于推进锂离子电池正极材料尖晶石锰酸锂的工业化进程，采用工业级材料合成尖晶石LiMn_2O_4正极材料，并着重改善其高温性能。 LiMn_2O_4的循环性能比较差，尤其在高温下容量衰减较快。本研究中以碳酸锂和电解二氧化锰为原料，对锰酸锂的固相合成工艺进行了较详细的研究，找出其循环性能差的主要原因；通过掺杂改性，合成出了性能较好的锰酸锂正极材料。最优工艺下合成的锰酸锂结晶良好、颗粒分布均匀，是纯相的尖晶石结构，材料在常温和55℃高温下以1C倍率恒流充放电时，初始放电比容量分别为115mAh/g和108mAh/g，充放电循环200次之后，容量保持率分别为92%和80%。 针对锰酸锂高温性能差的缺点进行了掺杂改性。实验中分别进行氟、铝、钴单一离子掺杂，对掺杂离子和掺杂量进行了详细对比，结果表明：单一离子掺杂后锰酸锂的初始放电容量都有所下降，其中掺杂铝离子对锰酸锂的高温性能提高最明显。当掺杂5%铝离子时，锰酸锂在常温和高温1C倍率下的初始放电比容量分别为107mAh/g和101mAh/g，充放电循环200次后，容量保持率分别为94%和88%。为改善单一离子掺杂后锰酸锂初始容量下降的问题，对锰酸锂进行了混合离子掺杂。实验中分别对氟与铝，氟与钴，以及氟、铝、钴三种离子掺杂的效果进行了对比研究。结果表明：混合离子掺杂后锰酸锂的初始放电容量较单一离子掺杂明显提升，但是循环性能有所下降，其中掺杂氟与钴的效果较好，当两者掺杂量均为1%时，锰酸锂在常温和高温下的初始放电比容量均为118mAh/g，充放电循环200次后，容量保持率分别为90%和76%。 混合离子掺杂并没有达到预期的理想效果，这可能是固相混料不均造成的，因此改用湿混料法进行掺杂，分别对硼、氟、钴的掺杂效果进行了比较。结果表明：湿混料掺杂钴的效果最好，掺杂5%钴时锰酸锂的放电容量显著提高，在常温和高温下的初始放电比容量分别为123mAh/g和121mAh/g，充放电循环200次后，容量保持率分别为92%和79%。最后又对锰酸锂的倍率性能进行了研究，当用不断增大的倍率充放电时，湿混料掺钴5%的锰酸锂和未掺杂的锰酸锂都显示出了优良的倍率性能，放电容量和放电平台下降都较少，且放电平台平稳。

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM912