新型层状锰酸锂正极材料的合成及性能研究

【摘要】：随着电动车(EV)需求的日益增长,探索高容量的锂离子电池正极材料成为有效且紧迫的任务。与商品化的LiCoO_2和LiFePO_4相比,层状锰酸锂(LiMnO_2)具有更高的工作电压以及容量,成为最有前途的替代正极材料。但其Li~+/电子电导率低、Jahn-Teller效应以及循环过程中Mn~(2+)的溶解严重限制了其规模化应用。针对这些缺点,研究者们主要采用了三个方面的改性策略:(1)减小颗粒尺寸,缩短电子和锂离子在体相内的传输距离从而有效改善电子和锂离子传输效率;(2)掺杂金属离子或者合成xLi_2Mn O_3·(1-x)LiMnO_2复合材料,从而优化晶体结构,提高导电性和结构稳定性;(3)在颗粒表面生成包覆层,减少活性物质与电解液直接接触,从而抑制或避免锰的溶解。论文采用两步水热法成功合成了分散均匀的0.4Li_2MnO_3·0.6LiMnO_2复合材料,并对其进行Al_2O_3和AlF_3包覆改性。运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段对材料的组分、结构及形貌进行表征,并采用恒电流充放电、循环伏安(CV)及交流阻抗(EIS)测试对材料的电化学性能进行分析。(1)通过水热法合成了分散均匀的0.4Li_2MnO_3·0.6LiMnO_2复合材料。由于电化学活化的作用,材料容量可达189.4 mAh/g,约30周后材料的放电容量较常规充放电活化高约10 mAh/g,表明电化学活化能有效激活Li_2MnO_3相并提高材料的电化学性能。(2)在水相中合成了Al_2O_3和AlF_3包覆0.4Li_2MnO_3·0.6LiMnO_2复合材料。结果表明,材料表面均能包覆上一层均匀的包覆层,但Al_2O_3包覆材料的性能不够理想。5wt%AlF_3包覆的材料循环稳定性及倍率性能最佳,能有效的避免电解液与活性材料的直接接触,避免了锰的溶解,50周循环后容量为123.1 m Ah/g。通过不同包覆材料的对比发现,AlF_3具有较好的包覆效果,为锰系正极材料的包覆提供了一定的建议。综上所述,水热法合成了分散均匀的0.4Li_2MnO_3·0.6LiMnO_2复合材料并对其进行Al_2O_3和AlF_3包覆。作为锂离子电池正极材料,样品表现出较好的循环性能和倍率性能,其中电化学活化和包覆改性起到了很大的作用。

【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ131.11;TM912