高性能锂离子电池锰酸锂正极材料合成工艺研究

【摘要】：尖晶石锰酸锂(LiMn2O4)的理论容量为148mAh/g,具有安全性能高、价格低廉和绿色环保等优点,被广泛用于制作电动工具以及电动自行车用锂离子电池正极材料。但是,LiMn2O4在充放电过程中,由于姜-泰勒(Jahn-Teller)效应引起材料结构发生变化,从而使电池循环性能降低;同时在放电末期,由于三价锰离子(Mn3+)含量的增加,导致Mn3+发生歧化反应,造成Mn3+的溶解,引发不可逆容量损失,尤其在高温下,Mn3+歧化反应加剧,电池循环性能急剧下降,容量衰减速度加快。因此,减缓LiMn2O4的Jahn-Teller效应,降低Mn3+的溶解量,是拓展其应用领域急需解决的重要问题。本论文工作通过对二氧化锰(MnO2)进行高温预处理,改善原料性能,以此降低反应所需要的活化能,不通过提高合成温度来获得比表面积低的LiMn2O4,从而减缓电池中电解液对LiMn2O4材料的腐蚀,提高循环性能,并以MnO2经不同高温预处理的产物为原料,分别合成LiMn2O4正极材料,初步考察了锂与锰金属摩尔比(Li:Mn)及铝掺杂量对LiMn2O4晶体结构、表面形貌及电化学性能的影响。结果表明:空气条件下,MnO2经560℃～960 ℃预处理得到三氧化二锰(Mn2O3),960 ℃以上预处理得到四氧化三锰(Mn3O4)。以MnO2经过600 ℃和1000 ℃预处理后得到的产物为原料,与碳酸锂(Li2CO3)混合均匀后在750 ℃烧结20小时,分别合成LiMn2O4正极材料,0.1C时首次充电容量分别为110.44mAh/g及104.64mAh/g,首次充放电效率分别为98.24%及92.51%。以MnO2经过600 ℃预处理后得到的产物为原料,与Li2CO3混合,控制Li:Mn摩尔比值为1.12:2,铝掺杂量为0.04摩尔比值,在750℃下烧结20小时获得铝掺杂的LiMn2O4正极材料(Li1.098Mn1.96Al0.04O4),0.1C时充电以及放电容量分别为122mAh/g和116.51mAh/g,充放电效率达到95.5%。当铝掺杂量超过0.03摩尔比值时,增加铝掺杂量无法有效改善循环性能,而当铝掺杂量低于0.03摩尔比值时,增加铝掺杂量可显著提高循环性能。当Li:Mn摩尔比值低于1.12:2,材料的循环性能降低。虽然阳离子掺杂牺牲了 LiMn2O4正极材料的容量,但半径较小的铝离子可能取代锰离子,不仅引起材料晶胞体积的收缩,而且降低Mn3+含量,从而减少歧化反应,从而达到减缓尖晶石锰酸锂的Jahn-Teller效应的目的。

【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912;TQ131.11