壳结构锰酸锂正极材料制备及电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201110081258分类号TM912密级公开硕士学位论文壳结构锰酸锂正极材料制备及电化学性能研究学位申请人刘伟指导教师刘军讲师学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向新型能源材料与器件二0一四年六月万方数据PreparationandStudyShellStructureSpinelLithiumManganeseCathodeMaterialsforLithium-ionBatteriesCandidateWeiLiuSupervisorLecturer

2、JunLiuCollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramNewEnergyMaterialsandDevicesSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateJune,2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研

3、究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编

4、本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要锰系尖晶石结构LiMn2O4由于其价格低廉、原材料丰富、对环境友好被认为是现行最具应用潜力的锂离子电池正极材料之一。但是锰酸锂材料的进一步应用受到两方面的限制：一方面是锰的溶解，尤其是当服役环境在40℃以上，而锰的溶解会导致电池容量急剧衰减；另一方面是材料本身电导率过低，存在严重的极化，会阻碍Li+在材料中的扩散，高倍率充放电时材料结构容易被破坏。针对上述问题，本论文将形貌调控和包覆改性两种方法结合起来，在

5、提高LiMn2O4循环性能的同时改善其倍率性能。主要内容如下：首先对锰酸锂正极材料进行了形貌调控，制备得四种不同结构的LiMn2O4材料并初步探讨材料结构对其电化学性能的影响。发现以预烧结时间2h的MnO2为前驱体时，最终产物LiMn2O4为完整的中空结构。该结构不仅能有效的缩短锂离子扩散路径，提高材料倍率性能；而且其空心层在锂离子大量嵌入脱出时可作为一个缓冲层减小材料的应变，进而提高电池的循环性能。测试结果表明中空结构LiMn2O4性能明显优于其他三种材料。但Mn溶解导致的容量衰减仍然比较严重。

6、针对锰酸锂材料锰的溶解问题，选择尖晶石结构的钛酸锂对所得的中空结构LiMn2O4颗粒进行包覆。通过钛酸盐水解的方法制备了中空核壳结构的LiMn2O4@Li4Ti5O12微米球。由于包覆层钛酸锂在电解液中具有良好的稳定和电导性，将其复合在锰酸材料表面后，材料中锰的溶解能得到极大的缓减，所以改性后的材料0.5C循环55次后电池容量的保持率达到90%。而且当锰离子的溶解被遏制后，材料结构的稳定性提高，电荷的转移阻抗更小，也更有利于克服Li+在嵌/脱过程中动力学限制，因此2C充放电时容量能达到90mAh/

7、g。由于钛酸锂材料在4.0V左右不具有电化学活性，因此材料总体的质量比容量有所降低，初始容量只有106mAh/g。为了进一步提锰酸锂材料的电化学性能，我们探讨活性材料的包覆改性方法。制备时，以PVP为辅助剂，通过乙酸盐水解的方法在LiMn2O4材料上形成了一层连续完整的尖晶石结构LiNi0.5Mn1.5O4包覆层。所制备的双壳层结构LiMn2O4@LiNi0.5Mn1.5O4微米球初始容量达到120mAh/g，在2C，5C,10C的大电流密度充放电下，电池的容量分别达到106mAh/g,97mAh

8、/g，90mAh/g；而且10C高倍率循环500次后材料放电容量保持率达到94%以上。60℃的高温极端环境下，材料也表现出很优异的循环性能和倍率性能。关键词：锂离子电池；正极材料；LiMn2O4；形貌调控；包覆改性I万方数据AbstractSpinelLiMn2O4iscurrentlyoneofthemostpromisingcathodematerialsforLIBsbecauseofitslowcost,abundantMnresourcesandenvironmental