纳米锰酸锂和锰酸锂碳纳米复合材料的制备及其电化学性能研究.pdf

硕士学位论文纳米锰酸锂和锰酸锂/碳纳米复合材料的制备及其电化学性能研究作者:林炳辉指导教师:夏晖副教授南京理工大学 2015年1月 Preparation and electrochemical properties of nanostructured LiMn204 and L订Ⅵn204/carbon posites By LinB讯g Hui S印ewised by Xi口Hlli N删ing UniVers时of Science&TeclⅡ10logy Janua吼2015 声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名:秘丝经 u∥年岁月媚学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名: 硕士学位论文纳米锰酸锂和锰酸锂/碳纳米复合材料的制各及其电化学性能研究摘要近年来,锂离子电池LiMn204正极材料一直是研究的热点,但是,在电动汽车等高功率应用场合下,LiMn204材料仍存在较大的极化效应和低功率密度,也存在较快的容量衰减问题。而功率密度过低是由于电极材料的倍率容量较低所导致,特别是在高的电流倍率下正极材料中锂离子和电子扩散慢导致锂离子在材料中脱出/嵌入不充分。通常用两种方法来提高正极材料的倍率容量:一种是将正极材料的结晶尺寸和颗粒尺寸从传统的微米级减少到纳米级,使锂离子扩散和电子传输距离得到显著减小;另~种方法是在正极材料中添加导电物质来增加它们的电子电导率。研究发现,使用纳米结构的锰酸锂及其锰酸锂/碳材料纳米复合物作为正极材料时,锂离子电池的倍率容量,结构稳定性和循环容量保持率都得到提高。本论文首先探索了纯相纳米锰酸锂粒子的合成,通过调节反应物的锂锰比例来探索一步水热法合成物相较纯、晶粒细小、粒度均匀、结晶性好的锰酸锂纳米颗粒,合成的纯相纳米锰酸锂材料具有较高的首周放电容量,但可能由于电极制备和循环过程中大纳米颗粒间发生了团聚,导致其倍率性能还不够好,长周次下循环稳定性较一般,需要后续的改性加以提高。然后我们通过在上述水热反应过程加入石墨烯,合成锰酸锂/石墨烯(LiMn204/GNS) 纳米复合材料,。石墨烯的加入不仅提高了锰酸锂的导电性能,而且减少了纳米粒子的团聚,相较于纯的锰酸锂材料,锰酸锂/石墨烯纳米复合材料拥有较高的容量,较稳定的循环稳定性和倍率容量保持率。为了探究锰酸锂正极材料在电动汽车等高功率电池领域的运用前景,构建具有高倍率性能的锰酸锂纳米结构,我们通过一步水热法制备获得高度结晶的超细锰酸锂/碳纳米管(T)纳米复合材料。碳纳米管形成的的三维导电基体不仅能为活性材料提供更高的电子导电率,还能减少锰酸锂纳米粒子之间的团聚。具有独特结构和形貌的超细锰酸锂/碳纳米管纳米复合材料可以表现出超高的倍率容量和长周次下的循环稳定性,相对于文献报导的溶胶凝胶法制备的锰酸锂表现出更优越的性能,有望运用在混合动力汽车及纯电动汽车等高功率电池领域中。关键词:锂离子电池,正极材料,纳米结构,锰酸锂,高功率密度,锰酸锂/石墨烯, 锰酸锂/碳纳米管,纳米复合材料。 Abstract Spinel LiMn204 isregarded aS one of恤moSt撒actiVe camode materials for 订aIlspo代ation arn batteries due t0itslowcost,enViro珊【1ental缸endliness,good s仃uctu】瑚stabili坝a11d much iInproved of ene唱ydens时and power dens蛔of baneries isu玛entlyreq试red谢t11 t11er印id deVelopment of elec仃icv出cles aIldportable elec仃oIlicdevices..HoweVer,buu(LiMn204su毹rs舶m poor ra=cecapabilit>,due t0t11esluggish Liiondi丘’usion and l衄【ited electricalconductiV