锂离子电池材料的合成改性及充放电性能——尖晶石锰酸锂的快速合成和介孔Co3O4的软化学合成

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锂离子电池电极材料,特别是正极材料,是制约锂离子电池性能进一步提高的重要因素。本论文针对锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn2O4和负极材料CO3O4在制备及电化学性质方面的一些问题进行了研究,具体内容为:  采用快速合成法制备了化学计量比和富锂相的尖晶石锰酸锂。该方法具有操作简单、反应温度较低、反应时间短、无需惰性气氛保护等优点。本工作通过实验分析了该合成法下不同反应温度、反应时间及Li/Mn投料比所得产物的组成,通过优化条件最终大幅度地降低了原料中的Li/Mn,即Li源的使用量。结果表明Li/Mn摩尔比为4:1,800℃反应O.5 h得到的是富锂相产物;当反应温度为700℃,Li/Mn摩尔比为1.05:2时,反应20 h得到化学计量比的锰酸锂。这可解释成,由于Li/Mn投料比较高时,在较短时间内有充足的锂进行插入反应,因此短时间内能得到单相产物。当Li/Mn投料比接近计量比时,需要较长的时间才能使锂插入反应进行的比较完全从而得到单相产物。充放电测试结果显示,富锂相产物的循环稳定性明显高于化学计量比的LiMn2O4。  采用软化学法通过控制模板尺寸制备了一系列具有不同尺寸的介孔CO3O4,对所得样品进行电化学测试发现,小尺寸的CO3O4具有较高的放电容量及较好的倍率性能。这可能是因为填充到小尺寸多孔材料孔道内的电解液较多,从而增加了参与电化学反应的锂离子数量。而且,介孔CO3O4的孔道长度缩短后,锂离子的迁移路径也随之缩短,从而提高了材料的倍率性能。  为进一步提高介孔CO3O4材料的循环稳定性,本工作制备了石墨烯与介孔CO3O4的复合材料。该复合材料表现出很好的电化学性能,如GM-CO3O4-10(氧化石墨与CO3O4的质量比为1:lO)的首次放电容量为1104.4 mAh/g,GM.CO3O4-5(氧化石墨与CO3O4的质量比为1:5)的为1216.0 mAh/g。同时对包覆小尺寸的样品GM.CO3O4S-5(氧化石墨与小尺寸CO3O4的质量比为1:5)进行测试可知,其首次放电容量为1298.2 mAh/g,而且在前30次循环中,随着循环次数的增加,放电容量也随之增加。  
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