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硅酸盐锂离子电池正极材料的合成及其电化学性能研究

高丹  
【摘要】:本论文合成了正硅酸盐锂离子电池正极材料Li2MnSiO4/C和Li2Mn1-xMgxSiO4/C,考察不不同合成条件对材料的结构、形貌以及电化学性能的影响,并对Li2MnSiO4/C材料容量衰减的机理进行了初步研究。 通过溶胶-凝胶法合成Li2MnSiO4/C复合材料,并对烧结温度、烧结时间、惰性气氛、包覆碳源、碳含量、碳包覆方式等条件进行优化。以蔗糖作为碳源,通过机械球磨的方法进行碳包覆,在Ar/H2混合气氛下以600℃烧结12 h制备的Li2MnSiO4/C材料粒径较小,碳包覆层较均匀。在0.05C倍率下、1.5~4.8V电位区间范围内进行恒流充放电,首次放电比容量可以高达203 mAh g-1(扣除碳含量后),参与可逆脱嵌的锂离子数为1.22。经过20次充放电循环后,容量保持率为69%。0.1C和0.5C倍率下恒流充放电时,首次放电比容量分别达到191、142mAh g-1 以Li2MnSiO4/C (13.09 wt%)为研究对象,对其容量衰减过程进行了初步研究。采用非原位XRD和XPS以及循环伏安扫描技术考察了不同充放电状态下材料发生的变化,发现Li2MnSiO4/C在首次充电后就由晶态转化为非晶态,晶体结构扭曲坍塌,并且在后续的充放电循环过程中都以非晶态存在。另外,材料在充电过程中发生氧的氧化析出,也会导致结构的变化,从而造成不可逆容量的产生和容量的衰减。 考察了不同镁掺杂量的Li2Mn1-xMgxSio4/C的结构、形貌以及电化学性能。发现少量镁掺杂(x=0.1)并没有改变材料的正交晶体结构,镁掺杂提高了材料的电化学性能,Mg2+在材料的骨架结构中起到了支撑作用,有利于电子和锂离子的移动,提高了材料的电导率。以Li2Mno.9Mg0.1 SiO4/C作为扣式锂离子电池正极材料,在0.5C倍率下充放电(1.5~4.8 V),其首次充放电比容量可以分别提高到323和229mAhg-1.


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