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工学硕士学位论文

锂离子电池正极材料层状LiMnO2的合成及
掺杂改性

硕士研究生: 吴楠
导师:孙克宁教授
申请学位级别: 工学硕士
学科、专业: 工业催化
所在单位:应用化学系
答辩日期:2006 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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A Dissertation for the Degree of M. Eng.

The Research on Synthesis and Doping Modification of Layered
LiMnO2 Cathodes for Li-ion Battery

Candidate: Wu Nan
Supervisor: Sun Kening
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Industrial Catalysis
Affiliation: Department of Applied Chemistry
Date of Defence: June, 2006
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
锂离子电池是 20 世纪 90 年代发展起来的新型二次电池。锂锰氧化物由
于具有污染低,价格便宜等优点,己经成为最有吸引力的锂离子电池的正极
材料。但其容量衰减、循环寿命短等问题,成为困扰它商品化应用的主要障
碍。最近,具有比尖晶石型的锂锰氧化物更高理论容量的层状结构的
LiMnO2,成为当前的研究热点。
本文在详细评述了锂离子电池及其正极材料研究进展的基础上,选取层
状结构的LiMnO2为研究对象,对其合成和掺杂改性进行了研究。采用离子
交换法制备LiMnO2,研究了合成条件对LiMnO2结构和电化学性能的影响,
讨论了反应温度、时间、洗涤方式和气氛对材料性能的影响,优化了合成制
备工艺条件。在此基础上,尝试了对材料进行掺杂改性。通过X射线衍射
(X-Ray Diffraction)分析了合成产物的晶型结构,扫描电镜(Scanning Electron
Microscope)观察了材料的形貌,恒流充放电测试研究了合成材料的比容量
和循环性能,循环伏安(Cyclic Voltammetry)和电化学阻抗谱(Electrochemical
Impedance Spectroscope)简单分析了材料的电化学反应机理。
研究表明,离子交换法制备的LiMnO2材料具有较好的层状结构和电化
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学性能,其第 50 次放电容量为 65mAh·g ()。
(M=Al, Ni)从它们的前驱体通过离子交换法被合成。在充放电循环过程中,
(M=Al, Ni)的放电曲线出现 4V和 3V两个平台,表明其发生
向类尖晶石相的转变。但是与普通的尖晶石型LiMn2O4不同,这种材料依然
具有很好的循环性能和较高的可逆容量。经过 20 次充放电循环后,
and 的比容量分别为 70 和 65mAh/g。电化
学阻抗分析结果表明,掺杂有利于提高LiMnO2的充放电性能。

关键词锂离子电池;正极材料;层状LiMnO2;离子交换法;掺杂
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Lithium-ion battery is a new type of secondary batteries
developed during 1990's. Lithium manganese oxides have advantages as the
positive active materials for lithium-ion batteries, such as non-toxicity, low cost
etc. However, the capacity fade of lithium manganese oxides makes its
application difficulty.