应用化学毕业论文答辩

掺镁量对固相燃烧合成尖晶石型 LiMgxMn2-xO4 电性能的研究指导教师：郭俊明 教授

专业：应用化学 学生：熊高朝 学号：20090940548 时间：2013.5.24

报告的内容 实验研究的背景及意义 实验药品及仪器 实验过程 结果与讨论 实验结论

1.实验研究的背景及意义随着全球范围内对无线电子产品如笔记本电脑、移动 电话、数码相机等需求的增长，与之相应的二次锂离子电 池的市场需求量大。

尖晶石型LiMn2O4具有能量密度高，循环使用寿命长， 成本低，易制备，锰资源丰富及环境友好等特点 .

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1.实验研究的背景及意义但是，LiMn2O4正极材料电池实际充放电比容量小， 循环寿命短等缺陷至关重要。本实验采用固相燃烧 法制备尖晶石型LiMn2O4正极材料，此方法工艺操 作简单，燃烧温度低，燃烧时间短，经济省时。所 以，主要采用Mg掺杂进行改性研究，探讨掺镁量对

固相燃烧合成尖晶石型LiMgxMn2-xO4 电性能的研究。

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2.实验药品及仪器 2.1.实验药品

碳酸锂(Li2CO3) 碳酸锰(MnCO3) 醋酸镁(MgAc2.4H2O) 柠檬酸(C6H8O7.H2O)

分析纯，国药集团化学试剂有限公司； 分析纯，阿拉丁； 分析纯，天津市津北精细化工有限公司； 分析纯，天津市化学试剂三厂。

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2.2.实验仪器 马弗炉(KSW电炉温度控制器) 上海市崇明实验仪器厂 ； AR224CN电子分析天平 北京赛多利斯天平有限司； QM-3SP2行星式球磨机 南京大学仪器厂； 电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限司； 真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限司； CT2001A LAND电池测试系统 汉市金诺电子有限公司； MIKROUNA Supen(1220/7550)真空手套操作箱。

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3. 实验过程 3.1 .掺Mg尖晶石型LiMgxMn2-xO4的合成

Li2CO3MgAc2﹒4H2O 5%柠檬酸

混合物

CH3CH2OH

MnCO3

行星式球 磨机

淡黄色粉末称取5g

研细

烘干500 ℃

马弗炉

1h

自然冷却 研细7

合成产物LiMgxMn2-xO4

按Li:Mn:Mg = 1:(2-x):x(摩尔比)的化学计量比掺杂量 x=0.00、 0.02、0.04,0.06 ,0.08, 0.10,0.15和0.20化学与生物技术学院Company Logo

3.2.正极片的准备及电池的组装测 试 3.2.1 正极片的制备 研细 LiMgxMn2-xO4

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称取LiMgxMn2-xO4

聚偏氟乙烯 (PVDF)炭黑

2.5ml NMP

球磨罐

手动混匀

行星式球 磨机

正极片

120 ℃ 干燥

切片

冷却

80 ℃

涂片

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3.2.2 电池的组装及电性能的测试 正极片负极(金属锂 片)

电解液LiPF6/EC+DMC

真空手套箱组 装电池

聚丙烯多孔 隔膜充电电压3.2—4.35V

电池性能的测试2013

-5-26

放置12h

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4 结果与讨论 4.1. X线射线衍射分析(XRD)LiMn2O4

h g

Intensity/a.u

f e d c b a 10 20 300

40

50

60

70

2 /( ) 图1 LiMgxMn2-xO4样品的XRD谱图 (a=0.00,b=0.02,c=0.04,d=0.06,e=0.08,f=0.10,g=0.15,h=0.20)

1.掺Mg后产物的主晶相均未改变，峰型尖锐并未改变LiMn2O4的基本结 构。

2.均未出现Mn2O3或Mn3O4等杂相，产物纯度高，结晶性较好。10 3.随掺Mg量的增加，衍射峰半宽峰呈变窄趋势，产物结晶性能越来越好。 2013-5-26

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4.2 .SEM分析0.00 X=0.04

X=0.08

X=0.20

图2 不同镁掺杂量LiMn2-xMgxO4(x=0.00,0.04,0.08,0.20)产物的SEM图

由SEM图谱可知：

1.所有掺Mg合成尖晶石型LiMgxMn2-xO4与未掺Mg产物的形貌相似.2.掺Mg所得产物颗粒比未掺杂产物更均匀，且掺Mg产物比未掺Mg产物颗粒表面 更光滑，结晶性能更好。2013-5-26 11

3.SEM与XRD图谱分析结果相一致。化学与生物技术学院Company Logo

4.3. 循环性能分析4.4 4.2 4.0

h

g d

c b a e f-1

120

100

Specific Capacity / mAh· g

80

Voltage/ V

3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 -20 0 20 40 60 80

B D F H J L N P

60

LiMn2O4 LiMg0.02Mn1.98O4 LiMg0.04Mn1.96O4 LiMg0.06Mn1.94O4 LiMg0.08Mn1.92O4 LiMg0.10Mn1.90O4 LiMg0.15Mn1.85O4 LiMg0.20Mn1.80O4

40

h

g f

e dc ba

20

0

Specific Capacity / mAh· g

-1

100

120

140

0

10

20

30

40

50

Cycle Number

图3. Mg不同掺杂量的产物LiMn2O4的首次充放电 曲线(a=0.00,b=0.02,c=0.04,d=0.06,e=0.08 f=0.10,g=0.15,h=0.20)合成材料 LiMn204 LiMg0.02Mn1.9804 LiMg0.04Mn1.9604 LiMg0.06Mn1.9404

图4 .Mg不同掺杂量燃烧合成产物循环性 能曲线

放电比容量/mAh/g 首次 107.8 105.2 102.1 100.2 容量保持率 45次后 94.1 95.8 96.5 93.5 0.8729 0.9106 0.9452 0.9331

LiMg0.08Mn1.9204LiMg0.10Mn1.9004 2013-5-26 LiMg0.15Mn1.8504 LiMg0.20Mn1.8004 化学与生物技术学院Company Logo

99.292.7 80.7 69.1

95.487.7 77.3 66.4

0.96170.9461 0.9579 0.9609 12

5.结论

随着掺杂量的增加首次放电比容量逐 渐降低，但综合考虑首次放电比容量及容量 保持率，当掺杂量为x=0.08时，首次放电比 99.2mAh/g,40次循环以后，容量保持率高达 96.17%。因此，在今后对锰酸锂电池正极材 料的发展中，本实验结果能提供很好的科学 研究基础。13 2013-5-26

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致谢此篇论文能够得以顺利完成，首先衷心的感 谢郭俊明教授循循善诱的教导和不拘一格的思路 给予我无尽的启迪。在此，谨向尊敬的郭老师表 示衷心的感谢！ 其次，我还要真诚地感谢周先艳师姐和向明武 师兄以及各位师兄师姐的细心指导！ 最后，我还要谢谢我们同实验小组的各位同学， 谢谢你们一直以来对我的支持帮助！

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