收藏本站
《中国科学技术大学》 2012年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

锂离子电池尖晶石型5V正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的研究

钟国彬  
【摘要】:经过20多年的发展,锂离子电池由于其能量密度、循环寿命等方面的优势,在小型电子产品上获得了广泛的应用。然而,随着电动汽车的发展需求,人们对锂离子电池的性能尤其是能量密度和功率密度提出了更高的要求。目前锂离子电池的研究重点也在于提升其能量密度。正极材料是锂离子电池中最关键的材料,对电池的性能包括能量密度起着决定性的影响。本论文针对5V尖晶石型正极材料LiNi0.5Mn1.5O4,通过掺杂改性提高其循环性能、倍率性能、高温性能以及热稳定性。 论文的第一章中简要地介绍了锂离子电池的结构和工作原理,对锂离子电池的应用前景进行了展望。从能量密度和功率密度的角度对锂离子电池的几种主要正极材料进行概述,并重点论述了LiNi0.5MN1.5O4的结构和反应机理、合成和改性研究的现状。 论文的第二章介绍了本论文中使用的实验试剂、实验方法和实验仪器。重点介绍了2032型扣式电池的制备方法,以及常用的材料结构、形貌和电化学性能测试方法。 论文的第三章中,以丙烯酸热聚合法制备了LiNi0.5Mn1.5O4及三种Al掺杂的样品:Li0.95Ni0.45Mn1.5Al0.05O4、LiNi0.475Mn1.475Al0.05O4和Li1.05Ni0.5Mn1.45Al0.05O4。从掺杂方式的角度考察了Al掺杂对LiNi0.5Mn1.5O4的结构、电化学性能的影响。发现Al掺杂能显著地提高LiNi0.5Mn1.5O4的循环性能和倍率性能,将100次循环的容量保持率提高到99%以上。但是不同的掺杂方式效果有所不同:Li0.95Ni0.45Mn1.5Al0.05O4在高温下容量衰减较快,Li1.05Ni0.5Mn1.45Al0.05O4比容量较低,但是在55℃具有更好的容量保持性,100次循环容量保持率也高达98%。因此综合来看,LiNi0.475Mn1.475Al0.05O4具有最佳的电化学性能, Al同时取代Ni和Mn是最佳的掺杂方式。 论文的第四章中,通过考察一系列不同A1含量的LiNi0.5-xAl2xMn1.5-xO4(0≤2x茎1.0)尖晶石的结构、电化学性能以及热稳定性,对Al的掺杂量进行优化。发现Al的引入会降低LiNi0.5Mn1.5O4晶格中B位离子的有序性,使得晶体结构从P4332逐渐向Fd3m转变。Al掺杂能够明显地提高LiNi0.5Mn1.5O4的循环稳定性和倍率性能,优化的掺杂量为0.05≤2x≤0.10。其中LiNi0.45Al0.10Mn1.45O4表现最佳:在室温1C倍率500次循环后的容量保持率为95.4%,10C时的放电比容量为119mAh/g,约为0.5C时的93.7%。此外,C80测试发现Al掺杂可以显著地抑制LiNi0.5Mn1.5O4和电解液体系在220-C之前的放热反应,从而提高这种高电压正极材料的安全性能。 论文的第五章中,合成了LiNi0.45M0.10Mn1.45O4(M=Fe、Co、Cr)粉末以比较Fe、Co、Cr的掺杂效果。测试发现,Fe和Cr掺杂能够提高LiNi0.5Mn1.5O4的可逆比容量,而Co掺杂会使比容量轻微下降。长循环测试表明Fe、Co、Cr掺杂的样品均具有很好的循环性能,室温下1C倍率500次循环后的容量保持率分别为93.1%,95.9%和81.75%。55℃下200次循环后的容量保持率分别为94.9%,94.3%和83.6%。另外,这些三价过渡元素掺杂也能有效地提高LiNi0.5Mn1.5O4的倍率性能,在10C倍率放电时,LiNi0.45Fe0.10Mn1.45O4和LiNi0.45Cr0.10Mn1.45O4保持了0.2C容量的90%以上。LiNi0.45Co0.10Mn1.45O4表现更佳,10C放电比容量为124mAh/g,为0.2C放电比容量的97.6%,放电中值电压为4.50V。通过对造成容量衰减的三种可能因素(结构转变、金属离子在电解液中的溶解、电解液的氧化分解)的分析,发现高电压下电解液的分解是造成电池容量衰减的主要原因。 论文的第六章中,以第五章中优化的LiNi0.45Co0.10Mn1.45O4作为正极,与石墨、零应变材料(Li4Ti5O12和LiCrTiO4)、合金材料(Sn0.76Co0.24和Sn0.3Co0.3C0.4)这三类负极组装成全电池。对各种全电池的电化学性能进行考察,并比较了它们的质量能量密度和体积能量密度。发现LiNi0.45Co0.10Mn1.45O4/LiCrTiO4全电池具有很好的倍率性能和循环性能,是一种长寿命型电池。但是由于其工作电压仅为3.2V,所以能量密度仅为190Wh/kg。LiNi0.45Co0.10Mn1.45O4/石墨全电池工作电压超过4.5V,质量能量密度高达350Wh/kg,体积能量密度达520Wh/L,是一种高能量密度的电池。以Sn0.76Co0.24和Sn0.3Co0.3C0.4合金作为负极的电池工作电压约为4.3V,具有很高的能量密度,尤其是体积能量密度可达到700Wh/L,但是其循环稳定性有待提高。此外,在本章的工作中,我们还找到了一种普适性很强的制备无集流体的柔性电极膜的方法,组装成柔性的LiNi0.5Mn1.5O4/Li4Ti5O12, LiNi0.5Mn1.5O4/石墨和LiMn2O4/Li4Ti5O12全电池并对其电化学性能进行测试。虽然这些全电池的循环性能较差,但是这种柔性电池的制备方法在一些特殊的器件,以及原位光谱分析上会得到应用。 论文的第七章中用乳液法合成了具有良好均匀性的Ni0.5Mn1.5(C2O4)2·4H2O,并以之为前驱物进一步合成了纳米级、亚微米级和微米级的LiNi0.5Mn1.5O4。发现800℃热处理得到的亚微米级的LiNi0.5Mn1.5O4具有高达136mAh/g的比容量,而850℃和900℃热处理的LiNi0.5Mn1.5O4具有良好的循环稳定性,室温100次循环容量保持率达到95%。对不同粒径大小的LiNi0.5Mn1.5O4的低温测试发现,LiNi0.5Mn1.5O4在低温下的容量保持率很大程度上受到其活性物质颗粒大小的影响。粒子越小,低温性能越好。 最后,在论文的第八章,作者对论文的创新和不足之处进行了总结,并对未来的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM912

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 庄全超,武山,刘文元,陆兆达;锂离子电池材料研究进展[J];电池;2003年02期
2 刘宇,解晶莹,杨军,王可,王保峰;锂离子电池中SnCu_x/CMS复合材料的制备[J];电化学;2003年01期
3 廖红英,程宝英,郝志强;锂离子电池电解液[J];新材料产业;2003年09期
4 路秋生;锂离子电池充电保护集成电路UCC3957[J];电子产品世界;2004年09期
5 ;选择好电池 手机通信有保障[J];大众标准化;2004年12期
6 顾惠敏,翟玉春,王伟;锂离子电池正极材料的研究和发展[J];新材料产业;2004年10期
7 张冬冬;朱家海;;从USB端口充电的锂离子电池充电电路[J];电子元器件应用;2004年06期
8 文钟晟,谢晓华,王可,杨军,解晶莹;锂离子电池中高容量硅铝/碳复合负极材料的制备与性能研究[J];无机材料学报;2005年01期
9 施志聪,杨勇;聚阴离子型锂离子电池正极材料研究进展[J];化学进展;2005年04期
10 庄全超,刘文元,武山;锂离子电池有机电解液电导率的影响因素[J];电池工业;2005年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘文;陈继涛;周恒辉;;高能量密度LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的合成和表面改性研究[A];中国化学会第28届学术年会第10分会场摘要集[C];2012年
2 褚君尉;李晟;詹星月;王连邦;马淳安;;锂离子电池锡合金材料的制备及性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年
3 刘国强;曾潮流;杨柯;;锂离子电池钒系正极材料的研究概况[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
4 姚晓林;陈春华;;提高锂离子电池安全性的电解液添加剂探索[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
5 周新文;张季平;刘浩文;郭光辉;雷太鸣;张克立;;LiFePO_4/C的合成及其电化学性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
6 冯祥明;郑金云;;含磷阻燃剂在锂离子电池中应用研究[A];第七届全国磷化学化工暨第四届海峡化学生物学、生物技术与医药发展讨论会论文集[C];2006年
7 柳红东;黄佳木;李新禄;刘佳;张育新;;锂离子电池SnO_2/石墨烯复合负极材料的制备及其电化学性能[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第二卷)[C];2011年
8 郑洪河;秦建华;石磊;小久见善八;;锂离子电池新型电解液添加剂研究与开发[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
9 余碧涛;程丽;仇卫华;李福燊;;亚硫酸乙烯酯添加剂改善锂离子电池循环性能的研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
10 欧阳楚英;施思齐;陈立泉;;锂离子电池氧化物电极材料离子动力学研究进展[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 罗海基;日开发出新型锂离子电池[N];中国有色金属报;2003年
2 兴 华;劣质锂离子电池引发隐忧[N];中国质量报;2004年
3 记者 王小龙;“豆荚”复合材料可延长锂离子电池使用寿命[N];科技日报;2011年
4 本报记者 张迎增;锂离子电池:澳柯玛异军突起[N];中国高新技术产业导报;2002年
5 本报记者 纪爱玲;示范工程催生锂电池产业良机技术有待提高[N];中国高新技术产业导报;2009年
6 潘葆铸;锂离子电池设备打入日本市场[N];中国工业报;2004年
7 江苏 严拥军;锂离子电池充电器的仿制与改进[N];电子报;2004年
8 记者 李玮 通讯员 孟祥成;我市一大型锂离子电池项目获得省发改委批复[N];菏泽日报;2009年
9 记者 汪炜;2012年 上海锂电池汽车实现产业化[N];上海科技报;2009年
10 记者 刘志强;锂离子电池生产线在贵州投产[N];科技日报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 魏英进;锂离子电池锰基正极材料的合成与表征[D];吉林大学;2004年
2 罗文斌;Al、Mg和Mn-Mg掺杂对LiCoO_2和LiNi_(1/3)Mn_(1/3)Co_(1/3)O_2结构、电化学和热稳定性能的影响[D];中南大学;2010年
3 崔艳华;全固态薄膜锂离子电池新型电极材料的研究[D];中国工程物理研究院;2010年
4 汤宏伟;锂离子电池正极材料LiNi_(1-x)M_xO_2(M=Co,Al,Mn)的研究[D];湖南大学;2003年
5 周晓荣;电子自旋共振和质谱在化学电源研究中的应用[D];武汉大学;2004年
6 钟国彬;锂离子电池尖晶石型5V正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的研究[D];中国科学技术大学;2012年
7 郭华军;锂离子电池炭负极材料的制备与性能及应用研究[D];中南大学;2001年
8 储艳秋;锂离子电池薄膜电极材料的制备及其电化学性质研究[D];复旦大学;2003年
9 周园;锂离子电池正极材料尖晶石Li-Mn-Oxide的制备和性能研究[D];中国科学院研究生院(青海盐湖研究所 );2005年
10 禹筱元;层状LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2与改性尖晶石LiMn_2O_4的研究[D];中南大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 郎丰饶;锂电池正极材料LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2制备及结构表征[D];东北师范大学;2010年
2 蔡红福;LiMn_2O_4和LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2的合成与改性[D];江南大学;2011年
3 万丽娟;石墨烯的制备及其改性锂离子电池电极材料的研究[D];西北大学;2011年
4 刘琳;锂离子电池聚合物凝胶电解质的研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
5 芮先宏;锂离子电池正极材料磷酸钒锂的制备及性能研究[D];中国科学技术大学;2010年
6 李利民;含氮活性碳材料的制备及其电化学性能研究[D];湘潭大学;2010年
7 何理;锂离子电池纳米ZnS/C负极材料制备及性能[D];上海交通大学;2011年
8 杜楠;锂离子电池回收利用过程管理设计及研究[D];首都经济贸易大学;2004年
9 姜冬冬;用于锂离子电池的锡基纳米结构电极的研究[D];复旦大学;2010年
10 仇征;新型锂离子电池负极材料钛酸锂的研究[D];上海交通大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026