锂离子电池正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的制备及其改性研究

【摘要】随着电动汽车、混合电动汽车和大容量储能电池的发展需求,人们对锂离子电池的能量密度和功率密度提出了更高的要求。正极材料是锂离子电池的关键材料之一,研究开发具有高电位正极材料是提高锂离子电池能量密度的主要途径之一。尖晶石型LiNio.5Mn1.504正极材料具有4.7V放电电压平台、结构稳定、循环性能好、生产成本低等优点,是目前备受关注的锂离子电池正极材料。本文以乙酸镍、乙酸锰和碳酸锂为反应原料,采用高温固相法制备了具有尖晶石型结构的LiNio.5Mn1.504材料。利用TG-DSC,XRD、SEM、恒流充放电、CV和EIS等测试方法对样品的结构、微观形貌及电化学性能进行表征、分析。以正交实验优化了前驱体制备条件、烧结温度、烧结时间和退火时间等因素。研究表明,400℃下热分解5h制备前驱体镍锰复合氧化物,并与锂源碳酸锂在850℃中烧结12h，650℃保温退火12h,制得的LiNio.5Mn1.5O4材料性能最佳。该样品在0.1C、1C放电倍率下的首次放电比容量分别为141.59mAh/g和114.77mAh/g,0.1C循环30周后放电比容量为初始容量的98.59%。为改善材料的电化学性能,本文采用高温固相法制备了F-、Cr3+单独掺杂的LiNio.5Mn1.5O4材料,研究了不同掺杂量对材料的物理性能和电化学性能的影响。研究发现：F-掺杂量x=0.05的LiNio.5Mn1.5O3.95Fo.05电化学性能较好,提高了材料的倍率性能和循环性能,降低了电荷转移阻抗。该样品在0.1C、0.5C、1C、2C及5C倍率下的放电比容量分别为123.03mAh/g、110.40mAh/g、102.34mAh/g、88.32mAh/g和82.82mAh/g;在0.1C和1C循环50周后的放电比容量为121.57mAh/g和99.92mAh/g,分别为初始放电比容量的98.81%和97.3%。Cr掺杂量x=0.1的LiCr0.1Nio.45Mn1.45O4电化学性能最佳,在O.1C、0.5C、1C、2C和5C倍率下的放电比容量分别为131.23mAh/g、125.66mAh/119.12mAh/g、104.74mAh/g和78.89mAh/g;在0.1C和1C循环50周后的放电比容量为125.28mAh/g和108.60mAh/g,分别为初始放电比容量的95.43%和91.17%。通过Cr3+、F-阴阳离子复合掺杂制备的LiCrxNi0.5-0.5xMn1.5-0.5xO3.95F0.05(x=0.05,0.1,0.2)材料,XRD分析显示无杂质峰存在,能够保持原有的尖晶石结构,微观形貌具有明显的八面体形状。复合掺杂的材料,可保证材料的高倍率比容量,可减缓材料的极化引起的电压平台下降,同时具有较好的循环稳定性。其中.475O3.95F0.05材料在0.1C、0.5C、1C、2C和5C下的放电比容量分别为134.18mAh/g、128.70mAh/g、123.60mAh/g、119.60mAh/g和97.68mAh/g;在0.1C和1C循环50周后放电比容量为131.47mAh/g和116.82mAh/g,容量保持率分别为97.98%和94.51%。
【作者】朱建新；
【导师】黄慧民；
【作者基本信息】广东工业大学，化学工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】锂离子电池；5V正极材料；LiNi0.5Mn1.5O4；高温固相法；离子掺杂；

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