富锂锰基正极材料表面改性及电化学性能研究

摘要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................... III 第一章绪论 .. (1)

1.1引言 (1)

1.2锂离子电池简介 (2)

1.3富锂锰基正极材料发展评述 (8)

1.3.1 晶体结构 (8)

1.3.2 高容量机理 (10)

1.3.3 制备方法 (12)

1.3.4 存在的问题 (14)

1.3.5 性能改性 (16)

1.4室温钠离子电池正极材料研究现状 (19)

1.4.1 钠离子电池简介 (19)

1.4.2 储钠正极材料 (20)

1.5本文研究目的和主要内容 (21)

第二章实验部分 (23)

2.1实验试剂与仪器 (23)

2.2物理性质表征 (25)

2.3电化学性能测试 (26)

第三章富锂锰基正极材料的制备及聚酰亚胺包覆改性 (30)

3.1引言 (30)

3.2实验部分 (31)

3.2.1 富锂材料LNMCO的制备 (31)

3.2.3 材料表征 (32)

3.2.3 电化学性能测试 (33)

3.3.1 喷雾干燥前驱体 (33)

3.3.2 烧结温度的影响 (35)

3.3.3 烧结时间的影响 (37)

3.4聚酰亚胺包覆富锂材料的结果与讨论 (39)

3.4.1 聚酰胺酸膜和聚酰亚胺膜的表征 (39)

3.4.2 聚酰胺酸溶液浓度的影响 (40)

3.4.3 热亚胺化温度的影响 (42)

4.3.2 复合材料的电化学性能 (48)

3.4本章小结 (53)

第四章成膜添加剂对富锂锰基正极材料电化学性能的影响 (55)

4.1引言 (55)

4.2实验部分 (56)

4.2.1 电解液的配制 (56)

4.2.2 电化学性能测试 (56)

4.2.3 材料表征 (57)

4.3结果与讨论 (57)

4.3.1 添加剂对基础电解液的影响 (57)

4.3.2 添加剂对富锂材料电极电化学性能的影响 (58)

4.3.3 材料表面物性分析 (62)

4.3.4 添加剂的作用机理 (66)

4.3本章小结 (67)

第五章层状/尖晶石结构富锂锰基材料的构筑及其电化学性能研究 (68)

5.1引言 (68)

5.2实验部分 (70)

5.2.1 材料制备 (70)

5.2.2 材料表征 (70)

5.2.3 电化学性能测试 (70)

5.3.1 水合肼蒸汽处理富锂材料 (71)

5.3.2 热处理温度的影响 (76)

5.4本章小结 (85)

第六章富锂锰基正极材料嵌脱钠离子的电化学行为 (86)

6.1引言 (86)

6.2实验部分 (86)

6.2.1 钠电池组装 (86)

6.2.2 电化学性能测试 (87)

6.2.3 材料表征 (87)

6.3结果与讨论 (88)

6.3.1 钠离子电解液的表征 (88)

6.3.2 NMCO/Na电池性能 (88)

6.3.3 LNMCO/Na电池电化学性能 (90)

6.3.4 富锂材料的脱嵌钠机理 (94)

6.3.5 添加剂对电解液的影响 (97)

6.3.6 添加剂对钠电池性能的影响 (98)

6.4本章小结 (100)

第七章结论与展望 (101)

7.1结论 (101)

7.2展望 (102)

参考文献 (104)

博士期间发表的论文及奖励情况 (124)

致谢 (126)

第一章绪论

1.1 引言

能源危机和环境污染是21世纪人类面临的主要问题。目前，能源主要来自于煤、石油和天然气等不可再生能源。虽然开采技术的进步使得短期内这些不可再生能源不会枯竭，但此类能源在燃烧过程中产生的二氧化碳等废气对环境造成非常严重的污染[1]。近年来我国京津冀、长三角等经济发达地区出现的严重雾霾天气，与化石能源的高污染密切相关。上述问题迫使人们加快对风能、潮汐能和太阳能等可再生能源的开发和利用。但是，由于可再生能源具有能量密度低、间歇性和随机性等特点，在实际应用中这类能源需要与之相配套的储能系统。另外，智能电网与新能源汽车的发展也迫切需要便捷、高效的储能系统[2, 3]。

储能技术主要分为物理储能和化学电源两大类。物理储能主要包括：飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能等。但这些技术通常需要特殊的地理条件，受到场地限制。化学电源是化学能和电能储存和转化的装置，主要有一次电池、二次电池以及电化学电容器等。由于显著的性能优势，二次电池（如铅酸电池、镉镍电池以及锂离子电池等）是最广泛应用的储能装置[4]。

锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、自放电程度小、没有记忆效应以及绿色环保等优点，已广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑及电动工具等便携设备[5]。近年来，Tesla公司采用锂离子电池的Model S纯电动车成为市场新宠，初步取得商业成功，显示出锂离子电池广阔的应用前景。为此，人们对锂离子电池提出了更高的要求，可归纳为“三高和两低”：高能量密度、高功率特性、高安全性能、低成本和低（无）污染。高能量密度和高功率特征主要取决于电极材料，而相对低容量的正极材料是其发展的瓶颈。开发高容量正极材料是目前锂离子电池研究的重点。