锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备及其性能
锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4的制备及其性能[20200411155039]
摘 要
本文应用了共沉淀方法合成镍锰酸锂前驱体，然后通过传统高温的方法来制备锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4。并探究不同的反应温度、反应物浓度和反应搅拌时间下对其各项性能的影响。最后通过XRD和SEM等对产品的晶体结构、形貌进行系列表征。充放电测试结果表明：（1）在不同的反应温度下制备的样品，在50°C下合成的材料具有最好的正八面体尖晶石型结构，无杂质相其拥有最为规则的球形形貌。它的电化学性能最好，第一圈放电比容量为137.1 mAh·g-1，50个循环后的放电比容量为139.5 mAh·g-1，容量保持率达到101.7%。（2）不同的反应物浓度下制备的样品材料，在反应物浓度为0.5 mol/L时具有最为规则的球形形貌，其电化学性能也最好，第一圈放电比容量为137.1 mAh·g-1，50个循环后的放电比容量为135 mAh·g-1，容量保持率达到98.4%。（3）在不同的反应搅拌时间下合成的样品，在搅拌时间为2 h时拥有最为规则的球形形貌,其电化学性能最优，其第一圈放电比容量为139.5 mAh·g-1，循环50次后放电比容量为139.5 mAh·g-1，容量保持率101.7%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4共沉淀
目 录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1 锂离子电池发展简史 1
1.1.2锂离子电池的结构、工作原理 2
1.1.3 锂离子电池的特点 3
1.2 锂离子电池正极材料进展研究 5
1.2.1 锂离子电池的正极材料 5
1.2.2 锂离子电池正极材料的合成方法 5
1.3 正极材料LiNi0.5Mn1.5O4研究现状 6
1.3.1 LiNi0.5Mn1.5O4结构特性 6
1.3.2 LiNi0.5Mn1.5O4优点 7
1.3.3LiNi0.5Mn1.5O4主要合成方法 7
1.4 本文研究思路与方法 8
2.实验部分 9
2.1 实验试剂 9
2.2 实验仪器 9
2.3 实验方法 10
2.3.1 共沉淀法制备LiNi0.5Mn1.5O4正极材料 10
2.4材料性能测试 11
2.4.1材料的表征 11
2.4.2材料的电化学性能测试 11
3.实验结果及分析 13
3.1温度对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 13
3.1.1 XRD谱图分析 13
3.1.2电池的充放电性能测试 14
3.1.3交流阻抗(EIS)测试 16
3.2浓度对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 17
3.2.1 XRD谱图分析 17
3.2.2电池的充放电性能测试 18
3.2.3交流阻抗(EIS)测试 20
3.3搅拌时间对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 21
3.3.1 XRD谱图分析 21
3.3.2电池的充放电性能测试 22
3.3.3交流阻抗(EIS)测试 24
结论 25
参考文献 26
致谢 29
1.前 言
随着石油、煤炭等不可再生资源的日益紧缺、环境保护问题日益受到全世界关注，新型清洁能源（风能、太阳能等）成为开发研究的热点。但是，这些清洁能源都涉及到能量的存储，而当前使用的铅酸电池使用寿命短、有能量密度小等严重缺陷。两次锂电池有着良好的优势，如使用寿命长，可大倍率充放电、化学稳定性好、能量密度高、无记忆效应，因此二次电池有好的应用前景。
锂电池已经大范围的用于便携式电子产品，动力电源、储能器件，此外，科研人员做出了很多的努力能把锂离子电池应用于EV和HEV[1-3]。近几年来，锂离子电池的研究与开发成果显著，尤其在选择电解质和负极性能的改善方面已经取得了长足的进展。然而，锂离子电池的正极材料的研究和开发相对滞后，目前研究最多的正极材料有钴酸锂[4]、锰酸锂[5]和磷酸锰锂[6]等，存在很多的不足，而Ohzuku和Makimura认为LiNixCoyMn1-x-yO2是一种很有前途的正极材料[7]。
1.1 锂离子电池简介
1.1.1 锂离子电池发展简史
从1958年加州大学提出Li、Na等金属作负极的想法后，研究锂离子电池正式开始。在20世纪80年代，研究人员发现， LiCoO2正极材料具有相同TIS2结构和层状结构，它具有优异的性能，从而开始对锂离子电池正极材料的研究。1990日本Nagoura研究石油焦作为阴极?LiCoO2作为正极的锂离子二次电池：
LiC6|LiClO4-PC+EC|LiCoO2
锂蓄电池引起了研究锂电池的高潮?同年，魔力、索尼公司宣布它们将推出锂离子电池的碳负极。1991年索尼公司研发以聚糖醇热解炭为负极的锂电池?在1993年，美国报道了聚合物锂电池?
聚合物锂电池的正、负极不同于液态锂电池的是：将其液态的电解质替换为含锂盐的凝胶聚合物电解质，其容量比目前的液态锂电池容量大的多。因为聚合物电池有不易漏液、材料柔软、不易燃爆等特点，可以制成各种形状的锂电池，电池的比容量也因此得以提高，而且不会出现在液态锂电池中易出现的枝晶现象；高分子材料也可以作为聚合物锂电池的正极，比容量比目前的锂电池提高50%以上，因此聚合物锂电池是理想小型电子设备的电源?
聚合物锂电池和液态锂电池的性能如表1.1所示?
表1.1 两种类型锂离子电池性能比较
Table1.1 The performance comparison of lithium-ion and lithium polymer batteries
厂 家 型 号 C(容量) /(MA.H) W’(比能量) M(质量) /g
(Wh.kg-1) (Wh.L-1)
液态锂离子电池 (日本三洋公司) UF463048P 500 135 300 14
聚合物锂离子电池 (日本索尼公司) UP38352 580 125 290 16
1.1.2锂离子电池的结构、工作原理
图1.1 锂电池的结构示意图
Fig.1.1 Schematic diagram of the lithium ion battery
负极、正极、隔膜、外壳等组成了锂离子电池。锂电池的正负极材料都是由能够进行可逆脱嵌的锂离子的材料。其中正极材料通常选与金属锂电极相比电势较高的、在空气中能稳定嵌入锂的过渡金属氧化物。常用的有锰酸锂、三元材料、钴酸锂和镍锰酸锂等过渡金属氧化物；负极材料选择尽可能是锂，锂金属材料等电位较低的电势，以石墨，硅，过渡金属氧化物和复合氧化物常用。电解液中的电解质为锂盐，以六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂等最常用。溶剂以碳酸乙烯酯、二甲基碳酸酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、二乙基碳酸酯等最常用[8]。至于隔膜，常选用聚烯烃树脂。
图1.2 锂电池的工作原理示意图
Fig.1.2 Schematic diagram of working principle of lithium ion battery
如图1.2，它实际上是Li+浓差电池。当充电时，Li+从正极脱出而后嵌入负极，此时的负极为富锂态，而正极为贫锂态；在放电时，Li+从负极脱出，嵌入到正极中，正极是富锂态[9]，负极是贫锂态。所以，在充电和放电循环时，Li+分别在正极和负极上发生脱出和嵌入反应，所以，锂电池又被称为“摇椅电池”。
1.1.3 锂离子电池的特点
相对于传统的一次电池如镍-铬、镍-氢电池锂离子电池具有明显的优势和缺点，如表1.2所示。
表 1.2 锂电池与其他二次电池比较
Table 1.2 The cooperation between lithium battery and other secondary batteries
摘 要
本文应用了共沉淀方法合成镍锰酸锂前驱体，然后通过传统高温的方法来制备锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4。并探究不同的反应温度、反应物浓度和反应搅拌时间下对其各项性能的影响。最后通过XRD和SEM等对产品的晶体结构、形貌进行系列表征。充放电测试结果表明：（1）在不同的反应温度下制备的样品，在50°C下合成的材料具有最好的正八面体尖晶石型结构，无杂质相其拥有最为规则的球形形貌。它的电化学性能最好，第一圈放电比容量为137.1 mAh·g-1，50个循环后的放电比容量为139.5 mAh·g-1，容量保持率达到101.7%。（2）不同的反应物浓度下制备的样品材料，在反应物浓度为0.5 mol/L时具有最为规则的球形形貌，其电化学性能也最好，第一圈放电比容量为137.1 mAh·g-1，50个循环后的放电比容量为135 mAh·g-1，容量保持率达到98.4%。（3）在不同的反应搅拌时间下合成的样品，在搅拌时间为2 h时拥有最为规则的球形形貌,其电化学性能最优，其第一圈放电比容量为139.5 mAh·g-1，循环50次后放电比容量为139.5 mAh·g-1，容量保持率101.7%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:锂离子电池正极材料LiNi0.5Mn1.5O4共沉淀
目 录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1 锂离子电池发展简史 1
1.1.2锂离子电池的结构、工作原理 2
1.1.3 锂离子电池的特点 3
1.2 锂离子电池正极材料进展研究 5
1.2.1 锂离子电池的正极材料 5
1.2.2 锂离子电池正极材料的合成方法 5
1.3 正极材料LiNi0.5Mn1.5O4研究现状 6
1.3.1 LiNi0.5Mn1.5O4结构特性 6
1.3.2 LiNi0.5Mn1.5O4优点 7
1.3.3LiNi0.5Mn1.5O4主要合成方法 7
1.4 本文研究思路与方法 8
2.实验部分 9
2.1 实验试剂 9
2.2 实验仪器 9
2.3 实验方法 10
2.3.1 共沉淀法制备LiNi0.5Mn1.5O4正极材料 10
2.4材料性能测试 11
2.4.1材料的表征 11
2.4.2材料的电化学性能测试 11
3.实验结果及分析 13
3.1温度对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 13
3.1.1 XRD谱图分析 13
3.1.2电池的充放电性能测试 14
3.1.3交流阻抗(EIS)测试 16
3.2浓度对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 17
3.2.1 XRD谱图分析 17
3.2.2电池的充放电性能测试 18
3.2.3交流阻抗(EIS)测试 20
3.3搅拌时间对合成LiNi0.5Mn1.5O4的影响 21
3.3.1 XRD谱图分析 21
3.3.2电池的充放电性能测试 22
3.3.3交流阻抗(EIS)测试 24
结论 25
参考文献 26
致谢 29
1.前 言
随着石油、煤炭等不可再生资源的日益紧缺、环境保护问题日益受到全世界关注，新型清洁能源（风能、太阳能等）成为开发研究的热点。但是，这些清洁能源都涉及到能量的存储，而当前使用的铅酸电池使用寿命短、有能量密度小等严重缺陷。两次锂电池有着良好的优势，如使用寿命长，可大倍率充放电、化学稳定性好、能量密度高、无记忆效应，因此二次电池有好的应用前景。
锂电池已经大范围的用于便携式电子产品，动力电源、储能器件，此外，科研人员做出了很多的努力能把锂离子电池应用于EV和HEV[1-3]。近几年来，锂离子电池的研究与开发成果显著，尤其在选择电解质和负极性能的改善方面已经取得了长足的进展。然而，锂离子电池的正极材料的研究和开发相对滞后，目前研究最多的正极材料有钴酸锂[4]、锰酸锂[5]和磷酸锰锂[6]等，存在很多的不足，而Ohzuku和Makimura认为LiNixCoyMn1-x-yO2是一种很有前途的正极材料[7]。
1.1 锂离子电池简介
1.1.1 锂离子电池发展简史
从1958年加州大学提出Li、Na等金属作负极的想法后，研究锂离子电池正式开始。在20世纪80年代，研究人员发现， LiCoO2正极材料具有相同TIS2结构和层状结构，它具有优异的性能，从而开始对锂离子电池正极材料的研究。1990日本Nagoura研究石油焦作为阴极?LiCoO2作为正极的锂离子二次电池：
LiC6|LiClO4-PC+EC|LiCoO2
锂蓄电池引起了研究锂电池的高潮?同年，魔力、索尼公司宣布它们将推出锂离子电池的碳负极。1991年索尼公司研发以聚糖醇热解炭为负极的锂电池?在1993年，美国报道了聚合物锂电池?
聚合物锂电池的正、负极不同于液态锂电池的是：将其液态的电解质替换为含锂盐的凝胶聚合物电解质，其容量比目前的液态锂电池容量大的多。因为聚合物电池有不易漏液、材料柔软、不易燃爆等特点，可以制成各种形状的锂电池，电池的比容量也因此得以提高，而且不会出现在液态锂电池中易出现的枝晶现象；高分子材料也可以作为聚合物锂电池的正极，比容量比目前的锂电池提高50%以上，因此聚合物锂电池是理想小型电子设备的电源?
聚合物锂电池和液态锂电池的性能如表1.1所示?
表1.1 两种类型锂离子电池性能比较
Table1.1 The performance comparison of lithium-ion and lithium polymer batteries
厂 家 型 号 C(容量) /(MA.H) W’(比能量) M(质量) /g
(Wh.kg-1) (Wh.L-1)
液态锂离子电池 (日本三洋公司) UF463048P 500 135 300 14
聚合物锂离子电池 (日本索尼公司) UP38352 580 125 290 16
1.1.2锂离子电池的结构、工作原理
图1.1 锂电池的结构示意图
Fig.1.1 Schematic diagram of the lithium ion battery
负极、正极、隔膜、外壳等组成了锂离子电池。锂电池的正负极材料都是由能够进行可逆脱嵌的锂离子的材料。其中正极材料通常选与金属锂电极相比电势较高的、在空气中能稳定嵌入锂的过渡金属氧化物。常用的有锰酸锂、三元材料、钴酸锂和镍锰酸锂等过渡金属氧化物；负极材料选择尽可能是锂，锂金属材料等电位较低的电势，以石墨，硅，过渡金属氧化物和复合氧化物常用。电解液中的电解质为锂盐，以六氟磷酸锂、高氯酸锂
图1.2 锂电池的工作原理示意图
Fig.1.2 Schematic diagram of working principle of lithium ion battery
如图1.2，它实际上是Li+浓差电池。当充电时，Li+从正极脱出而后嵌入负极，此时的负极为富锂态，而正极为贫锂态；在放电时，Li+从负极脱出，嵌入到正极中，正极是富锂态[9]，负极是贫锂态。所以，在充电和放电循环时，Li+分别在正极和负极上发生脱出和嵌入反应，所以，锂电池又被称为“摇椅电池”。
1.1.3 锂离子电池的特点
相对于传统的一次电池如镍-铬、镍-氢电池锂离子电池具有明显的优势和缺点，如表1.2所示。
表 1.2 锂电池与其他二次电池比较
Table 1.2 The cooperation between lithium battery and other secondary batteries
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