尖晶石锰酸锂正极材料的合成及其电化学特性分析-synthesis and electrochemical characteristics analysis of spinel lithium manganate cathode materials.docxVIP

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于必威体育官网网址□，在年解密后适用本授权书。不必威体育官网网址□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1绪论1.1研究背景能源是现代社会发展和进步的重要保障。随着全球工业的飞速发展和人口的急剧增加，人类对能源的需求日益增加，传统的化石能源不断减少，并且造成了严重的环境污染。科学计算结果表明，全球石油、煤、天然气的储量分别约为1400亿吨、10316亿吨、152亿立方米，仅可供人类开采约30年、200年和65年[1]。虽然我国资源总量比较丰富，但人口众多，能源的人均占有量低。目前，我国正处于工业化、城镇化加快发展的重要阶段，能源需求不断增加，能源矛盾日益突出，尤其是石油资源的短缺十分严重[2]。交通行业是我国成品油消费的最大领域，也是主要的空气污染源[3]，因此发展电动交通工具以缓解能源、环保问题成为必然的选择。锂离子电池是电动交通工具使用的关键能源，其发展及应用被业界广泛看好，而正极材料的又是锂离子电池发展的瓶颈，其容量和稳定性的提高、成本及安全性等问题已经成为研究者关注的焦点，具有重要的研究意义。本文正是基于这种背景，开展了锂离子正极材料LiMn2O4的合成与电化学特性研究。1.2锂离子电池的概述1.2.1锂离子电池的发展20世纪60、70年代，为应对石油危机，锂原电池应运而生并迅速商品化。当时的锂原电池主要有Li//MnO2、Li//SOCl2、Li//CFx(x1)等。与传统的干电池相比，锂原电池具备电压高、能量密度高、自放电低、工作温度范围宽等优点[4]。为了提高资源利用率，基于锂原电池的优点，人们开始研究锂二次电池。起初，人们主要研究以金属锂及其合金为负极的锂二次电池系统，这类电池具备较高的能量密度，但其在充电过程中会发生枝晶现象，致使循环性能严重恶化，并存在严重的安全隐患。为了克服锂金属负极的不足，人们一直致力于新电极材料的研究[5]。1980年，Goodenough等[6]发现以LiCoO2为典型代表的层状结构材料可以进行可逆的充电和放电。1985年人们发现可嵌锂的碳材料可以作为锂离子电池的负极材料。经过研究者的努力探索，1991年以石墨结构的碳材料为负极，以LiCoO2为正极的锂离子电池诞生并实现商业化[7]。经过多年发展，锂离子电池已经广泛用于手机、笔记本电脑、摄像机等质量轻、体积小的便携式电子设备中。近年来，尖晶石型LiMn2O4、橄榄石型LiFePO4等电极材料先后被发现，这些电极材料具有原材料丰富、价格低廉、环境友好等优点，有广泛的应用前景，有望在将来取代传统的LiCoO2锂离子电池正极材料，锂离子电池正向绿色、动力方向迅速发展。1.2.2锂离子电池的结构图1.1锂离子电池的结构示意图[5]根据所用电解质形态不同，锂离子电池分为液态锂离子电池和固态锂离子电池两种。液态锂离子电池以液体或胶体为电解质，固态锂离子电池即聚合物锂离子电池，以固态或胶态高分子为电解质。聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池的基础上发展起来，与液态锂离子电池相比具有更好的安全性能[8]。为了满足不同用途的需求，液态锂离子电池在外形上通常有圆柱形（图1.1a）、方形（图1.1b）、扣式（图1.1c）三种。图1.1d为聚合物锂离子电池的常见结构。几种类型的锂离子电池在结构上均由以下几个主要部分组成：正极、负极、电解液、隔膜、外壳和电极引线。1.2.3锂离子电池的工作原理锂离子电池是Li+在正极和负极间往返脱嵌的可充放电的高性能电池，被形象的称为“摇椅电池”。正极材料一般为电势较高的嵌锂化合物，如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。负极材料目前多使用石墨，其电势接近金属锂电势，且能够进行锂的脱嵌。电解液为溶解了LiPF6、LiAsF6、LiClO4等锂盐的有机溶剂，溶剂主要采用碳酸乙烯脂(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯脂(PC)等[9]。锂离子电池在充电时，Li+从正极材料中脱出，经电解液嵌入到负极，同时电子的补偿电荷从外电路供给负极，以维持电荷平衡；放电时过程相反，Li+从负极中脱出，经电解液嵌入到正