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尖晶石LiMn_2O_4的制备及其电池制作技术与性能研究

姚耀春  
【摘要】:随着电子设备的快速发展以及能源与环境问题的日益突出,人们对化学电源提出了更高的要求。锂离子电池以其高电压、比能量大、循环寿命长,无污染等优点而得到广泛的应用。具有高插入电位的过渡金属氧化物常用作锂离子电池的正极材料,目前研究较多的是层状结构的LiCoO_2、LiNiO_2以及尖晶石结构的LiMn_2O_4。其中尖晶石LiMn_2O_4以其高电压、高安全性、低成本、易回收、对环境友好等优点而被人们公认为最具应用前景的锂离子电池正极材料之一。 本文在综述锂离子电池及其相关材料的基础上,分析了国内外尖晶石LiMn_2O_4的研究现状,可知LiMn_2O_4正极材料的不足之处在于原料的混合均匀性不好,结构不稳定,容量衰减快和循环可逆性差。尽管许多研究工作者做了大量的研究,开发了溶胶-凝胶法、融盐浸渍法、Pechini法等来制备LiMn_2O_4正极材料,并使材料的性能在一定程度上有所提高,但由于这些方法不是工艺复杂,就是成本较高,不适于大规模化生产。因此研究开发既能应用于工业化生产,又能制备出具有优良性能的尖晶石LiMn_2O_4的工艺路线依然是当前研究工作的重中之重。 为了既能适应工业化生产需要,又能改善材料性能,本文在传统固相合成法的基础上,引入机械活化的方法,采用机械活化—固相合成法制备尖晶石LiMn_2O_4正极材料,并采用离子掺杂和表面包覆对其进行改性研究。在此基础上对锂离子电池的制作技术和性能进行了研究,并试制了10Ah锂离子动力电池。采用TG、DSC、XRD、SEM、EDS、ICP-AES、AAS等检测手段和电化学分析方法相结合,对材料的热力学性质、物理化学性能以及电池性能进行了分析研究。 LiMn_2O_4合成原料的热分析表明,合成尖晶石LiMn_2O_4正极材料的总反应由三个分步反应组成,即Li_2CO_3的分解、MnO_2的分解以及Li_2O与Mn_2O_3的合成反应。采用机械活化—固相合成法可以提高原料的混合均匀性,降低反应温度,稳定晶体结构,改善产物性能。 在湿法球磨—固相合成法四因素三水平正交实验中,影响LiMn_2O_4电化学性能的主次因素依次为合成温度、Li/Mn摩尔比、球磨时间和恒温时间。合成原料以Li_2CO_3为锂源和EMD为锰源较好。烧结气氛为氧气时产物的性能较好,并对其物理和化学两方面的作用机理进行了分析。适当的制团压力可以增加颗粒的接触面积,促进反应的进行,但过大的压力会阻碍气体的溶解和扩散,从而延缓反应的进行。先加Li_2CO_3球磨的混料方式可以减小原料的粒度差,提高混料的均匀性,所以材


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