富锂锰基材料的制备及其电化学性能研究【字数：9829】
摘 要随着能源危机和环境污染等问题日益严重，对新能源发展的研究和利用，建设低碳社会成为当务之急。锂离子电池作为一种新型高能绿色电池备受关注。近些年，锂离子电池凭借其优秀的性能，它既保持了锂离子高电压、高容量的主要优点又具有循环寿命长、安全性能好的显著优点。在便捷式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益，迅速成为近年广为关注的研究热点，为现代众多技术注入活力。本文采用微波水热法制备层状镍锰钴复合正极富锂锰基材料，将三元材料锰、镍、钴按一定的配比，之后将实验样品置于马弗炉中进行不同温度保温工作。对于制得的样品，先经过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM），再装配电池进行充放电测试。用来测出样品的结构以及性能等，通过比较得出影响电池电化学性能的最佳热处理温度和最佳制备方法。
目 录
1. 前言 1
1.1 引言 1
1.2 锂离子电池 1
1.2.1 锂离子电池简明介绍 1
1.2.2 锂电池的结构和工作原理 2
1.2.3 锂离子电池所满足的条件 3
1.2.4 锂离子电池发展现状 4
1.3 锂离子电池的正极材料 4
1.4 富锂锰基正极材料的概述 5
1.4.1富锂锰基正极材料的制备工艺 5
1.4.2富锂锰基正极材料结构和特点 6
1.4.3富锂锰基正极材料的研发方向和展望 6
1.5本课题研究的内容与目的 7
2. 实验部分 8
2.1 实验药品及仪器 8
2.1.1 实验药品 8
2.1.2 实验仪器 8
2.2 LMNCO富锂锰正极材料的制备 9
2.2.1 LMNCO反应前驱体的制备 9
2.2.2 LMNCO正极材料的制备 9
2.2.3 LMNCO材料电池的制备 9
2.3 材料表征方法与电化学性能测试 10
2.3.1 XRD表征方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
10
2.3.2 SEM表征方法 10
2.3.3电化学性能测试 10
3. 结果与讨论 11
3.1 物相组成分析 11
3.2 微观结构分析 12
3.3 电化学性能.....................................................................................................................................13
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 20
1 前言
1.1 引言
现在社会，石油资源的日益减少和自然环境的破坏，新能源的出现使人们有能力去改变现在能源状况。其中太阳能、风能、潮汐能、核能等越来越受到人们的关注，连续性差成为这类材料的通病。能源在人们的日常生活中占据有重要地位，为满足人们的需求，储能成为新的课题，需要一种设备来将过量的能量储存起来，再在能量不足的时候进行释放，。这一观点在近年来充分的应用于电动汽车行业，因此我们利用锂离子电池这一储存设备来进行储能，在充放电的过程中使汽车获得动能。在电动车的实际使用过程中，需要锂离子电池提供充足的动力以保障汽车拥有良好的加速能力和续航能力，这就需要电池拥有高能量密度以及高倍率性能。[]
1997年，Numata K[2]等人首先发现了LiCoO2LiMnO3层状富锂材料。4年后，Dahn等[3]人对层状富锂材料进行了详细的研究，经研究发现，在高电压态下，层状富锰锂材料首次放电比容量达到300mAh/g以上，在当今社会站在了该领域的巅峰位置，目前采用市场上价格较为低廉的Mn元素，因此，层状材料成为新一代高比能量锂离子电池有力的竞争者。且富锂锰基正极材料具有高比容量（200~300 mAh/g）和高工作电压（>4.5V）,因此，较高的能量密度成为它的优点，电池中Mn属于惰性，对层状材料结构起到很大的作用，适量Co元素对性能起积极作用，过多会影响性能。因此，富锂锰基正极材料成为满足电动汽车锂离子电池材料的理想的选择。而富锂锰材料因为其高比容量获得了极大的关注。[4]
富锂锰基正极材料虽然在很多方面已成为理想之选，但仍需克服一些缺陷，例如：锂离子扩散遇到瓶颈，结构变化所引起的不可逆相变和高电压下锰离子会发生溶解，因此在本文的研究中，运用化学共沉淀法、微波合成法制备正极材料针对这三大缺陷，做出相应的调整。
1.2 锂离子电池
1.2.1锂离子电池的简明介绍
锂离子电池是锂电池演变过来的。上世纪70年代，埃克森的M.S.Whittingham用硫化钛制作正极材料，用金属锂制作负极，电池组装完成后即有电压，无需充电。上世纪80年代，伊利诺伊理工大学发现锂离子可以嵌入石墨，且过程是快速且可逆的，首个石墨电极在贝尔实验室研制成功。这之后，J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，，这一发现，为正极材料的研制提供了源源不断的思路。1990年第一批锂离子电池出现，通过这一发现反复对其进行研究，绿色环保，续航性能好，易于携带成为其优势点，据报道，锂离子电池目前拥有长达70年的使用时间，且充放电次数多达2.5万次，且在充放电1万次之后其性能依旧稳定[5]。锂离子电池凭借其优势逐渐在市场上占据越来越大的份额，且发展前景十分可观。
1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
锂离子电池主要由五个基本结构构成：①正极：其上化合物主要为富锂物质；②负极：一种主要以石墨为原材料的可脱嵌活性材料；③隔膜：主要为PP/PE/PP多层复合微孔膜、PP或PE单层微孔膜和涂布膜[6]这三大类，广泛使用的主要为聚烯烃微孔膜，具有稳定的化学结构，优良的力学强度，稳定的电化学性能等优点；④电解液：基本上是有机碳酸酯类物质，是一类易燃物，对电池的性能起到很大的作用；⑤电池外壳：作为外包装包装材料，主要为不锈钢、镀镍钢、铝等。锂离子电池的基本结构如图1.1所示：
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图1.1 锂离子电池基本结构
其工作原理本质为电池的正极、负极材料利用化合物的可逆嵌脱锂离子的性质，以使锂离子在通道中得以脱出和嵌入。充电过程中，锂离子从正极脱出，此时电池正极处于富锂状态，通过电解液运输嵌入到电池负极的晶格中，与此同时，电子通过外部电路流进电池的负极，而此时，电池的正极完成了由富锂到贫锂的转变，负极处于富锂的低电位状态。与之相反的是放电过程。放电过程中，电池负极处于富锂状态，锂离子从负极脱出通过薄膜嵌入到此时正处于贫锂状态的电池正极，同时电子从外部流进电池正极[7]。根据电荷守恒定律，充放电过程中电子是等量传递的，此时的正负极发生氧化还原反应，其氧化还原反应如下：
目 录
1. 前言 1
1.1 引言 1
1.2 锂离子电池 1
1.2.1 锂离子电池简明介绍 1
1.2.2 锂电池的结构和工作原理 2
1.2.3 锂离子电池所满足的条件 3
1.2.4 锂离子电池发展现状 4
1.3 锂离子电池的正极材料 4
1.4 富锂锰基正极材料的概述 5
1.4.1富锂锰基正极材料的制备工艺 5
1.4.2富锂锰基正极材料结构和特点 6
1.4.3富锂锰基正极材料的研发方向和展望 6
1.5本课题研究的内容与目的 7
2. 实验部分 8
2.1 实验药品及仪器 8
2.1.1 实验药品 8
2.1.2 实验仪器 8
2.2 LMNCO富锂锰正极材料的制备 9
2.2.1 LMNCO反应前驱体的制备 9
2.2.2 LMNCO正极材料的制备 9
2.2.3 LMNCO材料电池的制备 9
2.3 材料表征方法与电化学性能测试 10
2.3.1 XRD表征方法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
10
2.3.2 SEM表征方法 10
2.3.3电化学性能测试 10
3. 结果与讨论 11
3.1 物相组成分析 11
3.2 微观结构分析 12
3.3 电化学性能.....................................................................................................................................13
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 20
1 前言
1.1 引言
现在社会，石油资源的日益减少和自然环境的破坏，新能源的出现使人们有能力去改变现在能源状况。其中太阳能、风能、潮汐能、核能等越来越受到人们的关注，连续性差成为这类材料的通病。能源在人们的日常生活中占据有重要地位，为满足人们的需求，储能成为新的课题，需要一种设备来将过量的能量储存起来，再在能量不足的时候进行释放，。这一观点在近年来充分的应用于电动汽车行业，因此我们利用锂离子电池这一储存设备来进行储能，在充放电的过程中使汽车获得动能。在电动车的实际使用过程中，需要锂离子电池提供充足的动力以保障汽车拥有良好的加速能力和续航能力，这就需要电池拥有高能量密度以及高倍率性能。[]
1997年，Numata K[2]等人首先发现了LiCoO2LiMnO3层状富锂材料。4年后，Dahn等[3]人对层状富锂材料进行了详细的研究，经研究发现，在高电压态下，层状富锰锂材料首次放电比容量达到300mAh/g以上，在当今社会站在了该领域的巅峰位置，目前采用市场上价格较为低廉的Mn元素，因此，层状材料成为新一代高比能量锂离子电池有力的竞争者。且富锂锰基正极材料具有高比容量（200~300 mAh/g）和高工作电压（>4.5V）,因此，较高的能量密度成为它的优点，电池中Mn属于惰性，对层状材料结构起到很大的作用，适量Co元素对性能起积极作用，过多会影响性能。因此，富锂锰基正极材料成为满足电动汽车锂离子电池材料的理想的选择。而富锂锰材料因为其高比容量获得了极大的关注。[4]
富锂锰基正极材料虽然在很多方面已成为理想之选，但仍需克服一些缺陷，例如：锂离子扩散遇到瓶颈，结构变化所引起的不可逆相变和高电压下锰离子会发生溶解，因此在本文的研究中，运用化学共沉淀法、微波合成法制备正极材料针对这三大缺陷，做出相应的调整。
1.2 锂离子电池
1.2.1锂离子电池的简明介绍
锂离子电池是锂电池演变过来的。上世纪70年代，埃克森的M.S.Whittingham用硫化钛制作正极材料，用金属锂制作负极，电池组装完成后即有电压，无需充电。上世纪80年代，伊利诺伊理工大学发现锂离子可以嵌入石墨，且过程是快速且可逆的，首个石墨电极在贝尔实验室研制成功。这之后，J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，，这一发现，为正极材料的研制提供了源源不断的思路。1990年第一批锂离子电池出现，通过这一发现反复对其进行研究，绿色环保，续航性能好，易于携带成为其优势点，据报道，锂离子电池目前拥有长达70年的使用时间，且充放电次数多达2.5万次，且在充放电1万次之后其性能依旧稳定[5]。锂离子电池凭借其优势逐渐在市场上占据越来越大的份额，且发展前景十分可观。
1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
锂离子电池主要由五个基本结构构成：①正极：其上化合物主要为富锂物质；②负极：一种主要以石墨为原材料的可脱嵌活性材料；③隔膜：主要为PP/PE/PP多层复合微孔膜、PP或PE单层微孔膜和涂布膜[6]这三大类，广泛使用的主要为聚烯烃微孔膜，具有稳定的化学结构，优良的力学强度，稳定的电化学性能等优点；④电解液：基本上是有机碳酸酯类物质，是一类易燃物，对电池的性能起到很大的作用；⑤电池外壳：作为外包装包装材料，主要为不锈钢、镀镍钢、铝等。锂离子电池的基本结构如图1.1所示：
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图1.1 锂离子电池基本结构
其工作原理本质为电池的正极、负极材料利用化合物的可逆嵌脱锂离子的性质，以使锂离子在通道中得以脱出和嵌入。充电过程中，锂离子从正极脱出，此时电池正极处于富锂状态，通过电解液运输嵌入到电池负极的晶格中，与此同时，电子通过外部电路流进电池的负极，而此时，电池的正极完成了由富锂到贫锂的转变，负极处于富锂的低电位状态。与之相反的是放电过程。放电过程中，电池负极处于富锂状态，锂离子从负极脱出通过薄膜嵌入到此时正处于贫锂状态的电池正极，同时电子从外部流进电池正极[7]。根据电荷守恒定律，充放电过程中电子是等量传递的，此时的正负极发生氧化还原反应，其氧化还原反应如下：
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