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锰酸锂正极材料的制备及表面包覆改性研究

【摘要】:尖晶石锰酸锂由于具有资源丰富、成本低、环境友好等优点,因此被认为是最有前途的下一代锂离子电池正极材料之一。然而,在长时间充放电过程中,由于锰的溶解造成锰酸锂正极材料出现容量衰减和循环性能下降的现象,严重制约了它在纯电动汽车以及混合电动汽车等领域的应用。针对该问题,人们尝试了各种方法来改善尖晶石锰酸锂正极材料的电化学性能,包括:(a)表面包覆,能减少电极材料与电解液的直接接触;(b)体相掺杂离子,可增强材料结构稳定性;(c)形貌控制,可缩短锂离子和电子的传输路径。本论文首先通过水热反应制备特殊形貌的Mn_3O_4作为前驱体,进一步通过固相煅烧制备出具有截角八面体结构的锰酸锂正极材料,该材料具有作为较好倍率性能和循环性能。又对可商品化的锰酸锂进行表面包覆,通过改性工艺的研究,能有效地控制电极材料和电解液的直接接触,减少锰的溶解,使得锰酸锂材料具有良好的循环性能。主要研究内容如下:(1)以高锰酸钾为锰源,聚乙二醇作为还原剂和结构导向剂,水作为溶剂,采用水热法制备具有规整结构的Mn_3O_4前驱体,再通过固相煅烧制备得到具有截角八面体结构的锰酸锂正极材料。本文研究了聚乙二醇聚合度、反应温度、聚乙二醇添加量对Mn_3O_4形貌、结构的影响规律,并对其生长过程及生长机制进行了初步研究;再进一步优化固相煅烧的主要参数:锂锰摩尔比值、煅烧温度、煅烧气氛,其中在研究煅烧气氛对锰酸锂的形貌、结构及组成中发现:在氧气气氛下,锰酸锂表面有较多Mn~(4+)生成,有利于减少锰的溶解,增强了其结构稳定性,该材料具有较好的倍率性能和循环性能。在0.1 C、0.2 C、0.5 C、0.8 C、1.0 C倍率下,该样品的放电容量分别为110 mAh·g~(-1)、110mAh·g~(-1)、105 mAh·g~(-1)、102 mAh·g~(-1)、99mAh·g~(-1),在1.0 C倍率下循环500次后,容量保持率可达93.9%。(2)通过调控硅酸钠的水解,在可商品化的锰酸锂材料表面包覆了均匀、致密的SiO_2包覆层,该包覆层的存在可以有效减少电极材料与电解液的直接接触,起到抑制锰溶解的作用。当包覆量为0.5%SiO_2时,样品具有最优的电化学性能,在1.0 C倍率经过300次的充放电循环后容量保持率为75%。为减小电解液中HF对二氧化硅包覆层的腐蚀,提高电极结构的循环稳定性,进一步设计、制备了SiO_2和Al_2O_3双组分包覆的LiMn_2O_4正极材料(SLMO@SiO_2@Al_2O_3)。结果表明:经过双层包覆后,其循环性能得到进一步地提高。

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