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本论文第一部分首先介绍了锂离子电池的发展史、工作原理、性能及电极材料等,详细介绍了正极材料尖晶石LiMn2O4的基本情况、主要研究方向和主要合成方法,通过分析得出,为了提高锂离子电池正极材料性能,必须从改进合成方法方面入手。因此,首次提出了用高分子网络方法合成前驱体后,用微波加热合成样品,即微波-高分子网络法合成锂离子电池正极材料。
本论文第二部分介绍用微波-高分子网络方法方法合成LiCoO2、尖晶石LiMn2O4,并用此方法首次合成稀土掺杂LiMxMn2O4(M=La3+,Nd3+,Y3+)和掺杂尖晶石LiLaxNd0.006-xMn2O4(x=0.006,0.004,0.002,0)。通过循环伏安、充放电实验分析了材料的电性能,SEM和XRD实验分析了材料的相纯度和晶胞参数,并通过差热实验分析了微波-高分子网络法的合成机理,Li+在材料中的扩散机理是通过磁性实验、计时电量实验和交流阻抗实验进行表征的。
实验结果得出如下重要结论:Ⅱ)微波-高分子网络法克服了传统固相合成方法的缺点,不仅可以合成高性能的锂离子电池用正极材料,而且为合成其它类型高性能氧化物陶瓷材料提供了一条新思路,具有重要的推广价值和广泛的应用前景;
Ⅱ)在尖晶石LiMn2O4相中掺入适量稀土元素如La,Nd,Y,对其结构有适当改善,可以提高尖晶石的LiMn2O4作为锂离子电池正极材料的电性能;
Ⅲ)用La和Nd协同掺入尖晶石LiMn2O4相中,可以使其电化学容量达到120mAh/g,而衰减率较低,循环二十次的衰减率仅为4.7%,因此,稀土掺杂对提高锂离子电池用尖晶石LiMn2O4的性能有重要意义;
Ⅳ)稀土元素在尖晶石LiMn2O4相中掺杂机理为:La3+在LiMxMnyO4固熔体中形成间隙缺陷,Nd3+在尖晶石中形成空位缺陷,前者对尖晶石相结构的稳定有益,而后者对Li+在尖晶石中的扩散有益,因此,同时用La3+和Nd3+对尖晶石LiMn2O4相进行掺杂,不仅可以降低LiMn2O4尖晶石相在深充放电中的Jahn-Teller型变,而且可以有效提高尖晶石LiMn2O4作为锂离子电池正极材料的循环寿命。