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锂离子电池正极材料LiMn_2O_4的制备及性能研究

沈培智  
【摘要】:锂离子电池因具备优异的性能,近年来得到迅速发展。锂离子电池的性能在很大程度上取决于正极材料、负极材料、电解质及隔膜的选择和制备,其中正极材料显得尤为重要。LiMn_2O_4由于电压高、价格便宜、对环境友好而成为最有希望的备选正极材料之一。大量研究表明,制备方法和制备条件的不同会在很大程度上影响LiMn_2O_4材料的性能。本论文的主要目的就是探索LiMn_2O_4制备的新工艺。本文采用三种不同方法(Cellulose-柠檬酸-金属盐法、超声配位前驱体法及低热固相配位法)制备了尖晶石LiMn_2O_4。 利用热重-差热研究了前驱体的热分解过程:利用X-射线衍射、扫描电子显微镜对样品的结构和形貌进行表征;对使用不同方法制得的尖晶石LiMn_2O_4的合成条件进行研究,并将制得样品装配成模拟电池对其电化学性能进行测试。 (1) 采用Cellulose-柠檬酸-金属盐法制备锂离子电池正极材料LiMn_2O_4,研究了煅烧温度、柠檬酸与金属离子摩尔比对产物结构和电化学性能的影响。使用XRD、SEM、化学滴定等多种分析手段对制备的LiMn_2O_4进行表征。实验结果表明,采用Cellulose-柠檬酸-金属盐法能够制备出单相尖晶石LiMn_2O_4;当柠檬酸与金属离子摩尔比为1/3时,在800℃煅烧制得样品的电化学性能最好:当放电电流密度为0.15 mA cm~(-2)时,初始放电容量为134 mAh g~(-1),在经过40周循环后,其容量依然可达125 mAh g~(-1)。该方法中Cellulose的加入可大幅度减低有机酸的用量且所制得样品的性能与溶胶-凝胶法制备样品的性能相当。 (2) 本文提出了超声配位前驱体法制备尖晶石型LiMn_2O_4的新途径。在制备过程中,原料的配比、前驱体的分解温度、煅烧温度是影响产物结构和纯度的主要因素。实验表明,800℃制得样品纯度高,粒径分布均匀。当放电电流密度为0.3 mA cm~(-2)时,样品的初始放电容量为133.7 mAh g~(-1),45周循环后容量为112.3 mAh g~(-1)。该方法操作简便,产物电化学性能优良,具有一定的应用前景。 (3) 针对LiMn_2O_4衰减的原因,对其进行掺杂改性研究。通过对采用超声配位前驱体法制备的LiMn_(2-x)Cr_xO_4的电化学性能与结构关系的研究发现:随着掺铬量的增加,材料的晶格参数逐渐减小,放电比容量逐渐减低;当x=0.05时材料具有优良的电化学性能。


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