锰基氧化物电极材料制备及电化学性能研究

作     者：郑国涛 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李嵩;刘春静

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 锰基氧化物 元素掺杂 特殊形貌 碳包覆 

摘      要：锂离子电池已经广泛应用于便携式电子设备中,随着全球新能源产业的发展,电动汽车将成为锂离子电池最大的需求领域,因此能量密度更大的动力锂电池是锂电池产业发展的主流方向。锰基氧化物具有理论容量高、放电平台低的优点,是极具应用前景的锂电池负极材料。但锰基氧化物存在导电率低和锂脱嵌过程体积变化的问题,对锰基氧化物材料进行改性,研发出性能更加优越的电极材料成为研究热点。本论文采用不同的制备方法,通过工艺参数的优化制备出不同结构和特殊形貌的锰基氧化物材料,并通过离子掺杂和碳包覆等方法进一步改善材料的电化学性能,主要工作包括以下四方面内容:(1)微纳多级结构二氧化锰材料研究。以高锰酸钾和盐酸为原料,采用水热法,通过工艺优化制备了不同结构和形貌的二氧化锰材料。结果显示,当反应温度≤150℃时或反应时间≤6h时,获得花球状δ-Mn02。随着反应温度升高和反应时间增长,获得海胆状/刺猬状的α-MnO2。海胆状二氧化锰显示出更好的电化学性能,初始放电容量为1501 mAh/g,在循环100圈后放电容量为651 mAh/g。(2)元素掺杂LaxMnO2(x=0.05、0.1、0.15)研究。随着元素镧的掺杂,当x≤0.15时,材料为纯相的α-MnO2。所制备的La0.05MnO2、La0.1MnO2、和La0.15MnO2形貌分别为花瓣状、球状和类球状。其中花瓣状La0.05MnO2显示出最优的电化学性能,首次放电容量为1455 mAh/g,循环100圈后放电容量为997 mAh/g,容量保持率约为69%,当电流密度为1600 mA/g(约1.3 C)时,放电容量为304 mAh/g。(3)实心和空心球形α-Mn02材料研究。首先以碳酸氢铵和硫酸锰为原料,采用液相沉淀法制备球形碳酸锰材料。然后分别通过400℃锻烧得到实心球形二氧化锰材料,通过高锰酸钾和盐酸处理得到空心球形二氧化锰材料。上述球形材料颗粒直径约为2 um,大小均匀,分散性良好。空心球形二氧化锰材料比表面积为105 m2/g,显示出更优的电化学性能。首次放电容量为1508 mAh/g,循环160圈后放电容量为802 mAh/g,在1600 mA/g大电流密度下放电容量为432 mAh/g,结果表明,材料具有良好的循环稳定性和倍率性能。(4)碳包覆球形四氧化三锰材料研究。以实心球形二氧化锰为基体,以甲醛和间苯二酚为碳源,采用水热和煅烧两步法制备了核壳结构的Mn3O4@C材料。颗粒大小均匀分散性良好,在四氧化三锰表面存在碳包覆层。材料首次放电容量为1414 mAh/g,循环800次后放电容量为973 mAh/g,容量保持率为69%。在3200 mA/g电流密度下放电容量为382 mAh/g。上述结果表明,核壳结构Mn3O4@C材料具有优异的循环稳定性。