锂离子电池高压正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的可控制备与性能研究

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LiNi0.5Mn1.5O4尖晶石材料具有高工作电压、大放电比容量的优点,使其成为下一代高功率电池的首选材料。本文研究了不同制备条件和制备方法对LiNi0.5Mn1.5O4材料的形貌和性能的影响规律,实现形貌可控地制备LiNi0.5Mn1.5O4材料,并提高其电化学性能的目的。比较了不同制备条件对乙醇水热法制备LiNi0.5Mn1.5O4材料的影响。随着沉淀剂碳酸氢铵用量的增加,颗粒尺寸有减小的趋势,当碳酸氢铵加入量较多时,所制备的LiNi0.5Mn1.5O4有较好的倍率性能。当原料液中金属盐浓度最大时,乙醇水热法所制备的LiNi0.5Mn1.5O4材料的颗粒尺寸最小,当锂浓度为0.4mol L-1时制备的LiNi0.5Mn1.5O4材料有较高的放电容量和较好的稳定性。随着煅烧温度的升高,所制备材料的颗粒尺寸增大,结晶度提高,LiNi0.5Mn1.5O4材料的循环稳定性明显提高。对比了乙醇水热法、沉淀法和水热法三种制备方法对LiNi0.5Mn1.5O4材料性能影响。结果表明,乙醇水热步骤有以下作用:减小颗粒尺寸和聚集程度,增加材料的结晶度,将反应物混合均一,使得材料具有低的杂质和三价锰含量。通过乙醇水热法制备的LiNi0.5Mn1.5O4具有最佳的倍率性能,在20C倍率放电时容量为81.7mAh g-1,且具有优异的循环稳定性,在以5C放电循环1000次后比容量为102.1mAh g-1,保持率达到了88.1%。研究了不同制备条件对碳酸锰形貌的影响规律:随着硫酸锰浓度的增加,制备的碳酸锰颗粒尺寸减小,团聚程度增加。随着反应时间的增加,制备的碳酸锰颗粒尺寸略有增大,团聚程度增大。随着乙醇用量的增加,制备的碳酸锰颗粒尺寸减小,团聚程度增大。通过制备不同形貌的前驱体制备了球形和中空形貌的LiNi0.5Mn1.5O4。以碳酸锰微球为前驱体制备了球形LiNi0.5Mn1.5O4。另外,通过350oC下煅烧MnCO3,使其外层变为MnO2,内核仍为MnCO3,经过酸洗后碳酸锰内核溶解掉,留下二氧化锰外壳,以其为前驱体制备得到中空LiNi0.5Mn1.5O4材料。中空LiNi0.5Mn1.5O4材料含有相对低的杂质和三价锰含量,有利于提高材料的放电比容量和循环稳定性。中空形貌的LiNi0.5Mn1.5O4具有更好的倍率性能。
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