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利用溶胶-凝胶法制备纳米级高性能锰酸锂的最佳烧结工艺研究

摘要

如今锂离子电池应用极为广泛，但其本身能量密度还是无法满足电动汽车、航空航天等大型设备的应用需要。层状Li2MnO3正极材料具有高电电压平台、高能量密度、价格低廉和安全性高等优点，被人们广泛认可并研究。但是该材料存在电子导电性差和氧的不可逆损失的缺点，同时伴随着结构的不可逆转变，导致循环稳定性降低，放电比容量减小。本文利用溶胶-凝胶法制备纳米级的层状Li2MnO3，通过制备不同煅烧温度与保温时间的正极材料，探究最佳的烧结工艺。结果表明，煅烧温度650℃，保温时间5h为最佳烧结工艺，此时首圈放电比容量可达283.8mAh·g-1，循环50次后的放电比容量可保持在74.3mAh·g-1。

关键词：Li2MnO3；层状材料；溶胶-凝胶法；电化学性能

目录TOC\o1-3\h\z\u

63511绪论 1

124241.1前言 1

317141.2锂离子电池发展概况 2

38891.3锂离子电池结构及工作原理 2

118691.4不同类型锂离子电池及性能 4

230341.4.1层状LiMO2材料(M=Ni,Co,Mn) 4

159861.4.2层状三元材料（LiMnxCoyNi1-x-yO2，即NCM） 5

48841.4.3尖晶石结构正极材料（Li2MnO4） 6

100531.4.4聚阴离子型正极材料（LiFePO4） 7

112281.5层状Li2MnO3正极材料 8

133821.5.1Li2MnO3的结构 8

29211.5.2充放电机制 9

235671.5.3合成方法 9

128931.5.4层状Li2MnO3正极材料的缺点及改性研究 11

141791.6选题意义 12

118912实验材料与实验方法 13

74332.1实验药品 13

254492.2实验仪器 14

290732.3材料的制备 14

72122.3.1前驱体的制备 14

292652.3.2制备不同煅烧温度的正极材料 15

156292.3.3制备不同保温时间的正极材料 15

31172.4材料的表征 15

87522.4.1X-射线衍射分析（XRD） 15

147062.4.2扫描电子显微镜(SEM) 15

321272.5电化学性能测试 15

48153结果与讨论 17

290973.1不同煅烧温度对层状Li2MnO3材料的影响 17

284573.2不同保温时间对层状Li2MnO3材料的影响 20

13234总结 23

16784参考文献 24

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材料科学与工程学院2022届本科毕业论文（设计）

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1绪论

1.1前言

当今世界，随着不可再生资源损耗严重，传统化石燃料的使用严重影响着如今的人类社会，生态环境严重失衡。例如温室效应，导致冰面融化、海平面上升；燃油汽车尾气的大量排放也导致无法估量的大气污染。因此，绿色新能源的研究随之加深，例如太阳能、地热能、核能等，绿色新能源的重要性快速提升，预期逐步替代传统能源。但这些清洁能源往往受天气或地域的限制，并且常伴随着转化效率低，能量密度小和供应不连续等问题，难以进行大规模发展及使用。开发高效率转化和储能的清洁能源设备迫在眉睫，因此蓄电设备也成为了热门研究项目。

电池，是实现电能与化学能相互转化的设备，并可以对电能进行储备，在市场上有所应用的化学电池系统中，市场中大量应用的铅酸电池等，因其难以设计制作出体积较小的产品，且存在污染环境的问题，难以大面积普及。锂离子电池具备充放电循环寿命长，回收处理时对环境危害小，可设计最小体积小等特点，在应用中能更好的满足市场需求。

锂离子电池在小尺寸电器上得到了广泛应用，近几年也开始向大尺寸设备迈进，应用于电动汽车上。但现有锂离子电池的能量密度还是较低，所以下一代锂离子电池不仅需要安全、廉价、无毒、环保的新型电极材料，而且需要能够提供比目前使用的材料更大的能量密度。当前主流锂离子电池将LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等材料应用于正极。LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4的放电容量分别为140、130和170mAh·g-1[1]。传统锂离子电池应用LiCoO2作为正极，存在不错的倍率性能以及循环稳定性，但锂离子电池制备成本居高不下，且能量密度低导致难以应用于更严苛的使用场景，目前人们正在寻找更高效、经济、稳定的锂离子电池材料。在过去的几十年里，过渡金属(如Mn和Ni