鋰離子電池正極材料lini0.5mn0.5o2的合成及al摻雜改性研究

1、圖書分類號：TM 912.9 U.D.C.: 541.136 工學(xué)碩士學(xué)位論文 鋰離子電池正極材料 LiNi0.5Mn0.5O2 的合成及 Al 摻雜改性研究 碩 士 研 究 生： 梁一林 導(dǎo) 師： 陳剛 教授 申請學(xué)位級別： 工學(xué)碩士 學(xué) 科 、 專 業(yè)： 化學(xué)工程與技術(shù) 所 在 單 位： 化學(xué)系 答 辯 日 期： 2010 年 6 月 授予學(xué)位單位： 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 LiNi0.5Mn0.

2、5O2 是一種極具應(yīng)用前景的新型鋰離子電池正極材料，具有環(huán)境友好，成本低廉，比容量高等優(yōu)勢，是最有可能發(fā)展成為商品化的 LiCoO2 的替代材料之一。但是目前該材料還存在著極化較大，容量衰減嚴(yán)重、倍率性能較差、及常規(guī)電壓容量較低等缺點。因此進(jìn)一步提高該材料的電化學(xué)性能對加快其商業(yè)化具有重要的意義。本文選取了合成過程中較為重要的三個工藝條件對該材料的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，建立了該材料在電化學(xué)反應(yīng)中的陽離子移動模型，并在實驗中對該模型進(jìn)行了驗

3、證，找到了影響該材料電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)因素，并且通過摻雜 Al 對材料電化學(xué)性能的劣勢方面進(jìn)行了改性研究。 本研究從材料的合成出發(fā)，研究了共沉淀—固相法合成過程中燒結(jié)溫度，絡(luò)合劑加入量以及混料方式對材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。優(yōu)化的合成工藝為：加入 2 倍于金屬離子物質(zhì)量的氨水，采用球磨混料，空氣氣氛下 900℃燒結(jié)。在最佳工藝下合成的 LiNi0.5Mn0.5O2 在 10 mA·g-1 的電流密度下放電容量達(dá)到 190 mA

4、h·g-1，隨著充放電電流密度的增大，材料的比容量下降比較嚴(yán)重。充放電制度的研究表明，材料在 CC-CV 充放電制度下能表現(xiàn)出更好的倍率性能，使得這種材料在大倍率充放電的條件下保持較好的電化學(xué)性能得以實現(xiàn)。 通過對 LiNi0.5Mn0.5O2 的晶體結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合晶體場理論的基礎(chǔ)知識，建立了 LiNi0.5Mn0.5O2 在電化學(xué)反應(yīng)中的陽離子移動模型。對材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能測試結(jié)果驗證了該模型的成立。該模型的引入，揭示

5、了該材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)變化機(jī)理以及陽離子的移動規(guī)律，并且準(zhǔn)確的反映了材料實際比容量遠(yuǎn)小于理論容量以及在充放電過程中材料比容量不斷衰減等現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)因素。 基于陽離子模型的推斷，對材料進(jìn)行了 Al 摻雜改性。Al 摻雜有效的抑制了Ni 離子的跨層移動，使得材料的循環(huán)穩(wěn)定性有了顯著地提高。另外，Al 離子的引入，有效地抑制了 Ni 離子占據(jù) Li 離子位置，使得材料的比容量有明顯的提高，由于充放電過程中電極極化的影響，使得這種比容量