富鋰錳氧鋰離子電池正極材料的表面改性與應(yīng)用研究

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1、分類號(hào)：O469單位代碼：10183研究生學(xué)號(hào)：2015321006密級(jí)：公開(kāi)富鋰錳氧鋰離子吉林大學(xué)博士學(xué)位論文電池正極材料的表面改性與應(yīng)用研究邊筱扉邊筱扉吉林大學(xué)2018年5月富鋰錳氧鋰離子電池正極材料的表面改性與應(yīng)用研究SurfaceModificationsandApplicationsofLi-richMn-basedCathodeMaterialsforLithiumIonBatteries作者姓名：邊筱扉專業(yè)名稱：凝聚態(tài)物理研究方向：鋰離子電池材料指導(dǎo)教師：魏英進(jìn)學(xué)位類別：理學(xué)博士培養(yǎng)單位：物理學(xué)院論文答辯日期

2、：2018年5月31日授予學(xué)位日期：年月日答辯委員會(huì)組成：姓名職稱工作單位主席邢巍研究員長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所委員尉海軍教授北京工業(yè)大學(xué)鄒勃教授吉林大學(xué)陳崗教授吉林大學(xué)王春忠教授吉林大學(xué)未經(jīng)本論文作者的書面授權(quán)，依法收存和保管本論文書面版本、電子版本的任何單位和個(gè)人，均不得對(duì)本論文的全部或部分內(nèi)容進(jìn)行任何形式的復(fù)制、修改、發(fā)行、出租、改編等有礙作者著作權(quán)的商業(yè)性使用（但純學(xué)術(shù)性使用不在此限）。否則，應(yīng)承擔(dān)侵權(quán)的法律責(zé)任。吉林大學(xué)博士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得

3、的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》投稿聲明研究生院：本人同意《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》出版章程的內(nèi)容，愿意將本人的學(xué)位論文委托研究生院向中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社的《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》投稿，希望《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》給予出版，并同意在《中國(guó)博碩士學(xué)位論

4、文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)》和CNKI系列數(shù)據(jù)庫(kù)中使用，同意按章程規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。論文級(jí)別：□碩士■博士學(xué)科專業(yè)：凝聚態(tài)物理論文題目：富鋰錳氧鋰離子電池正極材料的表面改性與應(yīng)用研究作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：年月日作者聯(lián)系地址：吉林省長(zhǎng)春市前進(jìn)大街2699號(hào)吉林大學(xué)前衛(wèi)南區(qū)物理學(xué)院唐敖慶B區(qū)作者聯(lián)系電話：0431-85155126內(nèi)容提要富鋰錳氧化合物是具有重要應(yīng)用前景的高比能鋰離子電池正極材料。然而，這類材料本身較低的鋰離子導(dǎo)電率、電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)相變以及高電壓下電極與電解液之間的副反應(yīng)等問(wèn)題制約了其商業(yè)化應(yīng)用。為了解決上述問(wèn)題，

5、本論文首先采用鋰離子導(dǎo)體Li3PO4對(duì)富鋰錳氧正極材料進(jìn)行表面包覆，表面包覆層不僅為鋰離子的傳輸提供了順暢的通道，還在材料表面形成了均勻的隔離層，阻止了活性物質(zhì)和電解液的直接接觸，提高了材料的電化學(xué)性能。隨后，我們采用同樣是鋰離子導(dǎo)體的硼氧化物L(fēng)i2O-LiBO2-Li3BO3作為表面包覆物質(zhì)，同時(shí)利用質(zhì)子交換反應(yīng)在材料表面生成了層狀-尖晶石異質(zhì)結(jié)構(gòu)。一方面表面尖晶石相可以穩(wěn)定材料的晶體結(jié)構(gòu)，調(diào)控材料在電化學(xué)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)相變；另一方面表面硼酸鹽包覆層能夠促進(jìn)鋰離子在電極表面/界面處的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能，二者協(xié)同作用使材料的電

6、化學(xué)性能得到提升。進(jìn)一步，我們選取氟化物BiOF作為富鋰錳氧材料的表面包覆物質(zhì)，同樣采用質(zhì)子交換反應(yīng)在材料表面構(gòu)建層狀-尖晶石異質(zhì)結(jié)構(gòu)。BiOF包覆層有效地抑制了電解液的分解，提高了材料的熱安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使富鋰錳氧材料的電化學(xué)性能得到顯著提高。為了推動(dòng)富鋰錳氧正極材料的實(shí)際應(yīng)用，我們采用氮化鋰（Li3N）作為富鋰錳氧正極材料的鋰源補(bǔ)充劑和電極穩(wěn)定劑，在與石墨負(fù)極結(jié)合后，全電池的放電容量提高了10%，且電池的循環(huán)穩(wěn)定性明顯改善。最后，我們嘗試在富鋰錳氧金屬鋰電池中應(yīng)用聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）基凝膠態(tài)聚合物電解質(zhì)，采用

7、二維層狀材料氮化硼（BN）作為電解質(zhì)添加劑，不僅提高了聚合物電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電率，也提高了其機(jī)械強(qiáng)度，獲得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。本論文不僅為富鋰錳氧正極材料的表面改性研究提供了新的思路，還對(duì)其在鋰離子電池中的實(shí)際應(yīng)用提供了可行的技術(shù)途徑。I中文摘要富鋰錳氧鋰離子電池正極材料的表面改性與應(yīng)用研究論文作者：邊筱扉指導(dǎo)教師：魏英進(jìn)教授專業(yè)名稱：凝聚態(tài)物理鋰離子電池具有能量密度高、功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。眾所周知，鋰離子電池的能量密度、功率密度和成本在很大程

8、度上取決于正極材料，因此尋找高比能、低成本的正極材料顯得尤為重要。在這個(gè)背景下，富鋰錳氧正極材料在近年來(lái)得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。這類材料具有高容量、高能量密度和原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用潛力的動(dòng)力鋰離子電池正極材料之一。但富鋰錳氧正極材料的離子導(dǎo)電率較低且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，致使這類材料的放電比容