高电压正极材料LiMnPO4的制备、改性及全电池性能研究

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目前,锂离子电池在能量密度,倍率性能等方面取得了很大的进步,被认为是最有希望成为电动汽车、混合动力汽车的首选电源体系。LiMnPO4具有成本低、安全环保、理论容量高、高的稳定工作电压平台等优点,在锂离子动力电池中表现出很大潜力。但由于导电性极差,电化学性能不理想,限制了其应用。本文对LiMnPO4材料的水热法合成工艺优化、原位碳包覆、快离子导体复合和金属离子掺杂型固溶体材料的微观结构和电化学性能及Li4Ti5O12负极材料合成等进行了系统的研究。优化酸碱化学沉淀法工艺,合成粒径均匀、分布窄的微米级Li3PO4前驱体原料。同时,利用PEG-400为有机碳源、MnSO4H2O为锰源,在醇水体系中水热合成高电压LiMnPO4正极材料。其中反应时间、反应温度、醇水体积比、反应物浓度,存在一系列优化的工艺参数。后续引入VC的双重碳复合与还原性作用,惰性气氛中热处理得到的LiMnPO4/C复合正极材料具有最佳的性能。以第一性原理计算Fe、Mg异类金属离子不同量掺杂的LiMnPO4的能带宽度,同时合成对应含量的LiMn1-xFexPO4/C和LiMn1-xMgxPO4/C正极材料作实验验证,结果表明Fe. Mg阳离子掺杂不改变主相的物相,但显著改变了晶体结构参数,对能带宽度的调控直接影响材料的电子电导,并与电化学性能成正向关系,其中LiMn3/4Fe1/4PO4/C和LiMn23/24Mg1/24PO4/C的放电比容量最佳,理论计算与实验结果吻合。本文以铝基AAO为多孔分级微纳结构模板,原位水热法构建多级微纳结构LiAlO2锂快离子导体。以此通过上述优化水热法原位沉积及后续热处理得到LiMnPO4/C-LiAlO2纳米复合正极材料。一方面利用LiAlO2快离子导电性,另一方面利用纳米碳优异的电子导电性能改善复合材料的综合性能。LiAlO2的加入量存在一最佳值,提高材料放电容量达]0%。引入PVP、尿素作为锂盐-Ti02反应体系的活化剂,改进固相法合成Li4Ti5O12负极材料,制备的材料具有良好的放电容量、循环性能和倍率特性,0.5 C时达到理论容量的95%。组装的全电池体系LiMn23/24Mg1/24PO4/Li4Ti5O12在0.05 C下的放电比容量达到理论容量的80%,100次循环后,容量保持率超90%,是比较有前途的电池体系。
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