锂离子电池正极材料Li2MnO3的掺杂改性研究

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在当今严峻的能源和环境问题的形势下,交通工具纷纷采用动力储能电池作为主要的动力来源,锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理性之选。Li2MnO3基材料是一类新型的锂离子电池正极活性物质,其拥有理论容量高、成本低廉,对环境友好等优点。但纯的Li2MnO3电导率低,电化学活性差,循环性能不好,放电容量较低。本文通过在锂位掺杂阳离子Bi,提高材料电导率;在氧位掺杂阴离子F,稳定材料结构,以期改善材料的电化学性能。  采用高价阳离子Bi对Li2MnO3进行微量的Li位掺杂。实验结果表明Bi的掺杂能提高材料的结晶度。当Bi的掺杂量为0.02,在650℃下保温12 h得到的样品具有最佳的电化学性能。在该条件下合成的正极材料,在10 mA/g的电流密度,2.0-4.8 V的充放电截止电压下,首次放电容量为159.7 mAh/g,经过30次循环后容量保持率为80.7%,较未掺杂的材料提高了20%以上;在高电流密度50 mA/g下,首次放电容量为158.2 mAh/g,30次循环后容量保持率为90%。Bi的掺杂提高了材料的倍率性能。  采用阴离子F对正极材料Li2MnO3进行掺杂,以LiF和NH4F为F源发现掺杂F以后能较大程度提高材料的结晶度。以NH4F作为F源对材料形貌的均匀程度,放电比容量以及循环性能的优化效果都更加明显。研究发现,随着 F掺杂量的增加,材料的颗粒粒径长大明显,同时放电容量呈现降低趋势。实验结果表明当F的掺杂量为0.03,600℃下保温12 h的合成条件最优。在该条件下材料的粒径在120 nm左右。以2.0-4.8 V为充放电截止电压,在5 mA/g的电流密度下,初始容量达到239.8 mAh/g,经过30次循环容量保持率为78.5%,相较于未掺杂材料提高了20%。同时交流阻抗表明,F的掺杂也降低了材料的阻抗,提高材料的电导率。
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