摘 要

为应对能源危机和减少环境污染，新能源的研究和发展已经成为当今的时代热题，而锂离子电池的研究有望解决这一问题。锂离子电池的正极材料是研究的关键，而Li_1.8Mn_0.8Co_0.2O_2.8 (LMCO)具有比容量高、在自然界中储量丰富价格低廉、对环境无污染等优点,有望成为一种新型的潜力锂离子电池正极材料。但是其存在着很多缺点，例如倍率性能低，循环稳定性不好等等。本文将采用共沉淀法合成LMCO材料并通过碳包覆对其改性，以此来提高材料的电化学性能。通过实验发现碳包覆后材料会改变材料的形貌而且可以有效地提高LMCO的电化学性能。

本文采用的是共沉淀法合成正极材料Li_1.8Mn_0.8Co_0.2O_2.8，并以正极材料Li_1.8Mn_0.8Co_0.2O_2.8为基体采用PVA和蔗糖作为碳源进行碳包覆，研究不同碳源包覆对材料的电化学性能和结构的影响。同时，通过分析碳包覆量，温度，时间变化对碳包覆材料结构、形貌以及电化学性能的影响，探寻碳包覆对材料形貌物相的影响最佳的碳包覆条件以及合适的工艺条件。

研究结果表明，不同碳源制备的LMCO/C的团聚相差较大，但是都能提高材料的倍率性能和循环性能，并能减小材料阻抗，表明碳包覆后的材料提高材料的电化学性能。在电流密度为100mA/g时，以PVA为碳源包覆的材料和以蔗糖为碳源的材料分别比未包覆的材料初始容量高52.9mA/g和63.8mA/g，这说明碳包覆表面形成的碳层确实有利于电子传导。以蔗糖为碳源400℃保温1h得到的样品具有最好的电化学性能。

关键词：正极材料；锂离子电池；共沉淀法；碳包覆；电化学性能

Abstract

In order to deal with the energy crisis and reduce environmental pollution, the research and development of new energy sources have become the hot topic of the times, and the research of lithium ion batteries can be expected to solve this problem. The cathode material is the key point of lithium ion batteries. While Li_1.8Mn_0.8Co_0.2O_2.8(also named as LMCO),which has a higher practical discharge capacity, environmental compatibility and abundant resource, is one of the most promising cathode materials. However, its rate capacity and structure stability are very poor. This paper aims to improve the electron-chemical performance of LMCO by carbon coating. It is found that material with carbon-coating can improve the rate capacity of LMCO.

In this thesis，Co-precipitation method was used to synthesize LMCO. The effect of different carbon resources(PVA and sucrose) on materials’ structure and electron-chemical performance were investigated. PVA and sucrose are used as carbon source for carbon coating .At the same time, it is expected to investigate the optimum carbon coating conditions and the suitable technological conditions by analyzing the influence of carbon coating amount, temperature and time on the structure, morphology and electron-chemical properties of carbon coated materials.

According to the results of the research, the LMCO/C coated by different sample could enhance particles aggregation，but all the LMCO/C sample can improve the conductivity of the material, reduce impedance of the material, and which can improve the electron-chemical properties of the LMCO sample effectively. At current density of 100 mA/g, The LMCO/C coated by PVA and sucrose increased by 52.9 mA/g and 63.8 mA/g compared with the sample without carbon coating. This shows that the carbon layer formed by carbon coated is conductive to the electron conduction. The sample coated by sucrose at 400℃ for 1 hour shows the best electron-chemical performance .

Key words: Cathode materials, Li ion batteries, co-precipitation method, Carbon-coating, electron-chemical properties

目 录

1.1 研究背景 1

1.2 锂离子电池概述 1

1.2.1 锂离子电池的发展和应用 1

1.2.2锂离子电池的结构和充放电机理 1

1.3 锂离子电池正极材料 3

1.3.1 锂钴氧（LiCoO₂）正极材料 3

1.3.2 氧化锰锂(LiMnO₂)正极材料 4

1.3.3锰酸锂（LiMn₂O₄）正极材料 4

1.3.4 磷酸铁锂（LiFePO₄）正极材料 5

1.4 富锂层状结构 6

1.5 本论文的研究内容和意义 6

第2章 实验方法 8

2.1 实验试剂及实验器材 8

2.1.1 实验试剂 8

2.1.2 实验仪器 8

2.2 材料制备流程图 9

2.3 电池组装 10

2.4 材料结构表征以及电化学性能测试与分析 11

2.4.1热重和差热分析（TGA-DSC） 11

2.4.2 X-射线衍射分析(XRD) 11

2.4.3扫描电子显微镜(SEM)法 12

2.4.4 场发射透射电子显微镜（TEM） 12

2.4.5 电池程控测试仪 12

第3章 碳包覆对LMCO材料结构及性能的影响 13

3.1 不同碳源包覆对材料的影响 13

3.1.1 不同有机物碳源热分解分析 13

3.1.2 不同碳源对LMCO的结构和微观形貌的影响 13

3.1.3 不同碳源对LMCO/C材料电化学性能的影响 16

3.1.4 不同碳源包覆的阻抗分析 18

3.2 不同包覆量对碳包覆材料的影响 19

3.2.1 不同包覆量对碳包覆材料结构的影响 19

3.2.2 不同包覆量对碳包覆材料电化学性能的影响 20

3.2.3不同包覆量的交流阻抗 23

3.3 不同热处理温度对碳包覆材料电化学性能的影响 24

3.4不同碳化时间对碳包覆材料的影响 26

第4章 结论 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪 论

1.1 研究背景

随着能源与环境问题的日益突出，开发和充分利用新能源已经变得刻不容缓。在当今这个时代背景下，我们需要一种新的便携式储能模式来满足各种便携式数码产品和电动汽车的发展应用以及人们对高比能量和长循环寿命电池的需求，而锂离子电池的研究有望解决这一问题。作为一种新型储能电池，锂离子电池具有电压较高、比能量较高、充放电时间长、对环境友好、能快速充电、安全性能好等优点。锂离子以其便携性，微型化，可充放电，对环境无污染等独特优势得到人们的广泛应用。但是目前的锂离子电池也存在一些缺点：电量储存不够，快充放电性能差，成本高等。但是科学技术在不断进步，人们对材料学研究也更加深入，人们在锂离子电池上的研究会有更大的突破，高性能锂离子电池也会更加广泛地应用于人们的生产生活中。

1.2 锂离子电池概述