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动力锂离子电池正极材料锰酸锂的开发及应用研究

张娜  
【摘要】: 本论文的主要工作是通过高温固相法合成改性的动力锂离子电池正极材料尖晶石型锰酸锂,并将所研制的材料进行中试研究。主要采用阴阳离子复合掺杂和碳包覆以及钴酸锂改性的方式来提高锰酸锂的性能,并采用自制材料研制了性能良好的18650S型动力电池。研究工作主要从以下几个方面展开: 系统地研究了几种阳离子单元掺杂时,不同掺杂浓度对合成产物的物相结构和电化学性能的影响。采用离子半径比Mn~(3+)大,但有着比Mn-O键强很多的M-O键的元素Zr和稀土元素La、Ce和Nd对尖晶石锰酸锂进行单元掺杂改性,取得了很好的效果,稀土元素的掺杂可改善材料的高温(55℃)循环性能。对尖晶石锰酸锂进行了二元阳离子组合掺杂,进一步改善了材料的电化学性能。对尖晶石锰酸锂进行了阴阳离子的多元复合掺杂改性,通过筛选掺杂元素的组合方案和控制掺杂的量,制备出了既具有高的初始容量又有良好的常温和高温循环性能的尖晶石型锰酸锂正极材料LiCo_(0.02)La_(0.01)Mn_(1.97)O_(3.98)Cl_(0.02)。并初步研究了5V锰酸锂材料的性能。 研究了锰酸锂正极材料的中试制备工艺,并研究了粒径对正极材料性能的影响,所制备的材料性能达到小试时的水平。首次利用葡萄糖和聚乙烯醇为碳源,合成了碳包覆的掺杂型锰酸锂复合材料,提高了材料的放电平台和放电容量;制备出性能优良的钴酸锂,利用直接混合和高温处理混合的方式进一步改善了锰酸锂的性能,当锰酸锂和钴酸锂以90 : 10的质量比混合时,可以发挥二者共同的优势,当二者以90 : 5的质量比混合并通过高温处理后的材料,具有较高的比容量和最佳的常温和高温循环稳定性。 研究自制产品为正极材料的电动工具用动力18650S-1300mAh电池的制作工艺,所制作的电池具有良好的倍率性能和常温及高温循环性能,并通过了一系列的安全测试。最后探讨了动力锂离子电池中的不安全因素、爆炸机理和防爆措施,并从机理上解释了锰酸锂材料的安全性和实用性,指出研究开发性能更稳定的正极材料是解决动力电池安全性问题的重要方向。


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