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尖晶石锰酸锂正极材料的离子掺杂改性研究

【摘要】:本文的主要工作内容是研究锂离子电池用尖晶石型锰酸锂正极材料的离子体 相掺杂改性,以改善材料的电化学性能。研究了尖晶石型锰酸锂固相法制备工艺的 优化,分别研究了不同阳离子单元掺杂,二元和多元掺杂;阴离子掺杂以及阴阳离 子复合掺杂对尖晶石锰酸锂晶体结构和电化学性能的影响,并分析了掺杂改性的作 用机理。 利用 TG-DTA、XRD、SEM、粒径分布、比表面积以及充放电测试等方法研究 了尖晶石 LiMn2O4制备工艺的优化。选用纳米级的电解二氧化锰(nano-EMD)和 具有四方尖晶石结构的 Mn3O4 作为锰原料合成了尖晶石 LiMn2O4 正极材料,与由 EMD 和 MnCO3所合成的材料进行了分析比较。又分别以 EMD 和 Mn3O4为锰源, 考察了原料的最佳配比(Li/Mn 比),并进一步确定了 Mn3O4是合成尖晶石 LiMn2O4 最适宜的锰源。 系统地研究了几种阳离子单元掺杂时,不同掺杂浓度对合成产物的物相结构和 电化学性能的影响。首次尝试打破以往对尖晶石锰酸锂掺杂改性离子选择的传统观 念,采用离子半径比 Mn3+大,但有着比 Mn-O 键强很多的金属-氧键和更强八面体 场择位能的 La3+对尖晶石锰酸锂进行改性,取得了很好的效果。比较分析了在同一 浓度下不同掺杂离子的改性效果。对尖晶石锰酸锂进行了二元和多元的阳离子组合 掺杂,进一步改善了材料的电化学性能,特别是高温(55℃)下的循环性能。分别 研究了 F-和 Cl-这两种阴离子在不同掺杂浓度下所合成正极材料的晶体结构特征和 电化学性能,并考察了它们在 0.5C 充放电制度下的下的倍率放电特性。对尖晶石锰 酸锂进行了阴阳离子的多元复合掺杂改性,通过筛选掺杂元素的组合方案和控制掺 杂的量,制备出了既具有高的初始容量又有良好的充放电循环性能和高温性能的尖 晶石型锰酸锂正极材料。 从理论上探讨了尖晶石锰酸锂容量衰减的原因,从材料的晶体结构和电化学特 性等方面分析了掺杂改性改善尖晶石锰酸锂循环性能的作用机理。首次利用电压对 容量的微分曲线 dE/dQ ~ Q 分析了掺杂改性前后尖晶石锰酸锂正极材料的充放电平 台的变化。并首次对锂离子在尖晶石内电化学嵌入反应的热力学和动力学方程进行 了推导分析。

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