层状锰系正极材料制备及性能研究

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化石能源的广泛使用让我们享受现代化生活的同时,也在积聚了百余年之后爆发它的另一面——环境污染、能源匮乏等问题。人类越来越陷入这种便利舒适的生活不能自拔,同时对环境也提出了更高的要求。我们既要享受汽车、便携式电子设备带来的现代化社会,又要保持人与自然和谐相处,这就需要依赖二次电池技术的应用和发展,其中锂离子二次电池技术因为长寿命、高安全、大容量、轻质化和绿色环保等诸多优势成为最理想可靠的二次电池技术。  锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解质以及其它关联部件组成,其中正极材料是锂离子电池技术发展的最大瓶颈。常用的大规模商业化的正极材料包括钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)、锰酸锂(LiMn2O4)、三元材料(Li[Ni,Co,Mn] O2)等。考虑到材料中部分元素的毒性和成本问题,锰基材料脱颖而出,成为锂电子电池研究领域的热点,富锂锰基材料因自身较高的容量、稳定的循环性能成为下一代商用锂离子电池的理想选择。  本论文采用高温固相法和共沉淀法合成富锂锰基材料0.5Li2MnO3·0.5Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2。运用X射线衍射(XRD)确定产物是包含有Li2MnO3相的富锂材料,恒电流充放电曲线测试表明共沉淀法相较于高温固相法合成的最终产物具有更优异的电化学性能,高温固相法产物在25 mA/g(0.1 C)电流密度下首次充电比容量为288 mAh/g,首次库仑效率63%,平均放电容量约为175 mAh/g;而共沉淀法产物首次充电比容量达到322 mAh/g,首次库仑效率也有82%,平均放电容量更是高达260 mAh/g。  部分研究者通过离子交换法合成具有优异电化学性能的层状LiMnO2,本论文在此基础上通过离子交换法合成具有化学计量比的最终产物LixLi1-xNa0.06MnO2(变量x取0,0.1,0.2,0.25,0.35),控制合成过程两个阶段锂源添加量调整最终产物中变量x值。产物通过X射线衍射(XRD)表征和电化学循环测试发现最终产物中包含有Li2MnO3相,单斜Li2MnO3相和层状LiyNa0.06MnO2的比例与最终产物中变量x值相关联。这一成果拓展了对富锂相的认知,通过扫描电镜(SEM)、比表面积分析(BET)和恒电流充放电测试表明Li0.25Li0.75Na0.06MnO2和Li0.35Li0.65Na0.06MnO2表现出优异的电化学性能,Li0.25Li0.75Na0.06MnO2在10 mA/g(0.04 C)的测试条件下首次充电容量达到206mAh/g,Li0.35Li0.65Na0.06MnO2显示出更优异的循环稳定性,平均放电容量达到150mAh/g。各个样品不同的电化学性能主要归因于含有的单斜Li2MnO3相的比例,优异的电化学性能使LixLi1-xNa0.06MnO2材料成为那些含有毒性和价格高昂元素的电极材料可选的替代。
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