尖晶石型锰酸锂材料（LiMn₂O₄）是一种价格低廉和绿色环保的锂离子电池正极材料,充放电过程中Mn³⁺引发的Jahn-Teller效应使结构扭曲畸变,导致材料可逆容量衰减加快。解决其循环稳定性问题,将使锰酸锂材料在便携式电源和电动环保车用电池两大应用领域发挥重要的作用。本论文针对材料的容量衰减机理,通过体相掺杂和形貌控制优化锰酸锂的综合性能。 以电解二氧化锰和碳酸锂为原料,利用高温固相法在800℃合成了尖晶石型LiMn₂O₄。结果表明,材料具有较好的电化学性能,常温下其初始可逆容量为122.04mAh/g,循环100次后,容量保持率约低于80%。 本论文选取Co³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Mg²⁺四种金属离子分别与F^-阴离子组合,对LiMn₂O₄进行反电性离子体相共掺杂研究。其中,掺杂Al & F和Mg & F的材料具有更好的电化学性能,20次循环后可逆容量分别保持在118.07mAh/g和117.57mAh/g,容量保持率分别为94.77%和99.04%,两者还显示出比纯相锂锰氧化物更好的高温电化学性能。本论文首次提出对锰酸锂进行尖晶石MgAl₂O₄修饰,利用高温固相法合成了（LiMn₂O₄）_x（MgAl₂O₄）_1-x复合材料（x=0、0.025、0.050、0.075）,掺杂量为0.025时,材料具有标准的尖晶石结构和相对较优的电化学性能,初始可逆容量为120.07mAh/g,30次循环后容量保持率为93.93%。 本文首次提出采用控制结晶法制备锰酸锂材料,以实现前驱体形貌的控制,提高锰酸锂的综合性能。基于单分散颗粒制备的原理,系统地研究了反应物浓度、搅拌强度、沉淀体系、加料方式等因素对球形MnCO₃前驱物形貌的影响,得到了较优的控制条件。MnCO₃经预处理和Li₂CO₃研磨混料后,高温煅烧合成了球形或类球形尖晶石LiMn₂O₄。常温下,准确化学计量的锰酸锂材料初始可逆容量为129.40mAh/g,100次循环后,容量保持率为95.28%,明显优于普通高温固相法合成的材料;富锂球形锰酸锂材料经150次充放电循环后,可逆容量为112.95mAh/g,容量衰减率仅2.86%,平均每个循环仅衰减0.019%。利用循环伏安对材料脱嵌锂动力学进行分析,材料的两对氧化还原峰尖锐,对称性好,说明材料的脱嵌锂过程可逆性好。