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目前国内商业化的锂离子电池正极材料的主流产品为LiFePO4、LiCoO2和LiMn2O4,而磷酸锰锂作为一种LiMPO4系列电极材料,由于它的电压平台为4.1V(vs.Li+/Li)比LiFePO4还高,又适用于现有的锂离子电解液,具有成本低、对环境友好、能量密度高等优点而受到研究者的追捧。 本文利用低温液相合成的方法制备LiMnPO4的前躯体,以乙酸锰、碳酸锂、磷酸二氢铵、柠檬酸、EDTA和硝酸为原料,通过该法实现材料粒径的纳米化,选用了硝酸盐-柠檬酸与硝酸盐-EDTA两种体系进行考察,进行了XRD、SEM、碳含量分析、电导率分析、二次粒径分析、TGA等表征手段,XRD结构测试结果表明所有的样品都是橄榄石结构,谱图并没有碳的衍射峰。考察了不同硝酸与柠檬酸的摩尔比值对材料性能的影响,通过实验研究表明:当硝酸与柠檬酸的摩尔比为0.9∶0.2时,产物的比表面积适中,为10.3m2/g,二次粒径最小,其中D50为0.841μm,D90为3.536μm;SEM结果也表明一次粒径达到了纳米级,在200~400 nm之间;而以络合剂为EDTA的样品的粒径相对偏大,比表面积偏小。通过TGA分析得出前躯体的预处理温度段为180℃维持1h,升温速率为5℃/min;350℃维持5h,升温速率为10℃/min。但是以柠檬酸和EDTA作为碳源合成的产物的电化学性能很差,制备成扣式电池时,电压冲高很厉害,电池放电容量很低。 采用气相沉积的方法对LiMnPO4/C进行表面改性研究,发现气相沉积法热解的碳能够很好地改善材料的电导率,探索了乙醇气体高温热解导电碳的工艺条件,讨论乙醇通入的即时煅烧温度和加热温度对材料的碳含量和电阻率的影响,通过实验比较得出:乙醇通入的即时煅烧温度为450℃,乙醇的加热温度为30℃,LiMnPO4样品的表面电导率最好,能避免锰单质的产生,电阻率为0.8Ω/cm,碳含量为4.3%。最后通过上述工艺条件进行不同煅烧温度的考察,得出当煅烧温度为800℃,煅烧时间为10h时的产物制备成扣式电池的电化学性能最好,首次放电容量为95.9 mAh·g-1,放电中值电压为3.93V。 为了解决材料导电性差的缺点,本研究还考察了Mg2+、Zn2+和Y3+=种掺杂离子对LiMnPO4的材料性能的影响。经过XRD测试表明,三种掺杂离子所制备的LiMnPO4都是橄榄石结构,其中Mg和Zn元素掺杂的磷酸锰锂的晶体体积都随着掺杂量的增加而变大,而Y元素掺杂的磷酸锰锂的晶体体积变小。首次充放电测试表明,在0.05C倍率下,掺杂Mg2+量为x=0.2的和掺杂Zn2+量为x=0.2的首次放电比容量相对较高,分别为109.94 mAh·g-1和87.30 mAh·g-1;制备的Y元素掺杂量为x=0.005在倍率为0.1C的首次放电容量为122.9 mAh·g-1。三种离子掺杂的正极材料进行了循环性能测试,其中掺杂Zn和Mg元素的循环性能都比较差,而掺杂Y元素的较好。