鋰離子電池材料的制備、表征及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近十幾年來(lái)，鋰離子電池在能量密度，倍率性能等方面取得了極大的進(jìn)步，從而逐漸占據(jù)了便攜式電子設(shè)備的消費(fèi)市場(chǎng)，并且被一致認(rèn)為是最有希望成為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車的電源體系。目前商業(yè)化的鋰離子電池主要以鈷酸鋰和石墨為正負(fù)極材料，但是鈷酸鋰的高成本及石墨的低容量限制了鋰離子電池的發(fā)展。因此，研究可替代這兩種材料的新一代電極材料一直是研究者努力的方向。本論文致力于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型先進(jìn)儲(chǔ)鋰材料及制備方法。主要的研究成果如下： 1.采用丙烯酸鹽

2、聚合熱解的新方法制備了LiAlxMn2-xO4（x=0，0.02，0.05，0.08），并用XRD和SEM對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。結(jié)果表明得到的樣品具有高的純度和結(jié)晶度，晶體尺寸為100～300 nm。通過(guò)充放電和循環(huán)伏安方法對(duì)LiAlxMn2-xO4的電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)測(cè)試溫度在55℃時(shí)，LiAlxMn2-xO4仍然具有良好的循環(huán)性能，說(shuō)明摻雜一定量的Al離子有利于提高LiMn2O4的電化學(xué)穩(wěn)定性。特別是LiAl0.08M

3、n1.92O4，50次循環(huán)之后容量保持率達(dá)到99.3％，表現(xiàn)出了優(yōu)越的高溫循環(huán)性能。 2.同樣利用丙烯酸鹽聚合熱解法制備了LiNi0.5Mn1.5O4。由于用這種方法形成的聚合物前驅(qū)體中金屬離子以原子級(jí)均勻混合，所以在450℃熱解即可形成純的尖晶石相材料；在900℃煅燒時(shí)，材料結(jié)晶度大幅提高，晶體平均直徑為100 nm。對(duì)900℃得到的樣品在3.5～4.9 V以50 mA/g的電流密度進(jìn)行充放電，首周放電容量為112.9mAh/

4、g，循環(huán)50周后容量保持率為97.3％。循環(huán)伏安測(cè)試表明鋰離子在材料中的嵌入-脫出具有非常好的可逆性。 3.一些具有特殊結(jié)構(gòu)的納米材料能表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。本實(shí)驗(yàn)以六水硝酸鋅和偏釩酸銨為前驅(qū)物，苯甲醇為溶劑，利用非水溶膠-凝膠的方法合成出了毛線團(tuán)狀的ZnV2O4空心球。對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間研究表明其具有以下形成機(jī)理：首先，硝酸鋅迅速水解生成ZnO納米片并自組裝成亞穩(wěn)態(tài)的分等級(jí)微球，同時(shí)偏釩酸銨被苯甲醇還原為VO2顆粒。然后，ZnO微

5、球通過(guò)反應(yīng)-溶解機(jī)制形成毛線團(tuán)狀的ZnV2O4空心球。在這個(gè)過(guò)程中，ZnO微球表面的ZnO納米片先與附近的VO2和苯甲醇反應(yīng)生成ZnV2O4納米晶。然后，微球內(nèi)部的ZnO納米片溶解并且擴(kuò)散到外殼部分與VO2反應(yīng)生成ZnV2O4納米晶。反復(fù)的反應(yīng)-溶解導(dǎo)致形成毛線團(tuán)狀的ZnV2O4空心球。將材料在0.01-3.0 V以50 mA/g電流充放電，得到548 mAh/g的初始可逆容量，50次循環(huán)之后可逆容量仍保持在524 mAh/g。材料表現(xiàn)