论文部分内容阅读
本文概述了锂离子电池的工作原理、发展现状和正极材料的研究进展。研究了LiMn2O4的制备方法及其工艺条件。针对LiMn2O4正极材料在电化学循环过程中发生Jahn-Teller畸变和Mn在电解液中溶解这两个导致容量衰减和循环性能劣化的关键问题,分别采用Al、Mg阳离子掺杂和Al/F、Mg/F阴阳离子复合掺杂两种措施,对尖晶石结构LiMn2O4正极材料进行了改性研究。采用溶胶凝胶法制备LiMn2O4样品,通过热重-差热、X射线衍射分析、扫描电子显微镜和充放电循环、循环伏安测试和电化学阻抗谱法等研究方法,考察原料、溶液浓度、螯合剂添加量、溶液酸碱度、焙烧温度等因素的影响。发现前驱体在350℃己开始形成LiMn2O4相,高于800℃可得到纯的尖晶石相LiMn2O4。随着焙烧温度的升高,LiMn2O4样品的放电比容量先增大后减小。800℃获得的LiMn2O4正极材料具有较好的电化学性能,放电比容量为123mAh·g-1。采用溶胶凝胶法制备LiAlxMn2-xO4、LiMgxMn2-xO4、LiAl0.05Mn1.95O4-yFy和LiMg0.1Mn1.9O4-yFy尖晶石化合物,并通过X射线衍射分析、扫描电子显微镜,光电子能谱,充放电性能和循环伏安等测试考察了Al、Mg阳离子掺杂和Al/F、Mg/F复合掺杂对LiMn2O4样品的结构、形貌和电化学性能的影响。结果显示,C/5充放电倍率下,LiAl0.05Mn1.95O4、LiMg0.1Mn1.9O4首次放电容量分别为117mAh·g-1,109mAh·g-1,较LiMn2O4的123mAh·g-1低,但循环性能显著提高:其循环50次的容量损失率分别为8.2%和7.6%。Al、Mg掺杂LiMn2O4尖晶石的良好循环性能与其微观组织形貌和结构相关,掺Al、Mg能促进LiMn2O4尖晶石的晶体发育,并能增强尖晶石结构中宿主内部原子间结合力,提高宿主的稳定性,有效抑制其Jahn-Teller畸变,进而显著提高锂锰氧尖晶石的循环寿命。循环伏安测试测试结果发现,Al、Mg掺杂改性后的正极材料氧化还原峰值电势差值变小,表明其电化学可逆性提高。Al/F和Mg/F复合掺杂后的尖晶石正极材料LiAl0.05Mn1.95O3.95F0.05和LiMg0.1Mn1.9O3.95F0.05首次放电容量分别为121mAh·g-1和115 mAh·g-1,较LiAl0.05Mn1.95O4、LiMg0.1Mn1.9O4分别增加3.4%和5.5%。