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正极材料是锂离子电池的关键材料,对锂离子电池的充放电性能、安全性能和价格有着十分重要的影响。目前商业锂离子电池主要采用LiCoO2作正极材料。由于钴资源匮乏,价格昂贵且毒性较大,开发无钴的新型正极材料成为锂离子电池的重要发展方向。镍锰酸锂(LiNi0.5Mn0.5O2)集中了LiNiO2和LiMnO2的优势,具有成本低、比容量高、结构稳定、安全性好、环境友好等优点,是极具发展潜力的新型锂离子电池正极材料。但镍锰酸锂本身存在电导率低、倍率放电性能差等问题,合成方法对其性能和成本也有重要影响。采用传统的高温固相反应法合成的镍锰酸锂形貌不规则,且容易出现杂质相,性能不稳定；采用共沉淀法能得到形貌规则、物相单一的镍锰酸锂,但合成过程复杂、生产成本较高。本文在综合分析锂离子电池正极材料的研究进展,特别是镍锰酸锂研究现状的基础上,采用低温燃烧法成功地合成了具有球状形貌的LiNi0.5Mn0.5O2,并通过正交试验和单因素试验对其合成工艺条件进行了优化；选择改性效果良好的铝作为掺杂元素,对LiNi0.5Mn0.5O2进行了掺杂改性试验,取得以下研究成果和认识：
⑴以LiNO3、Ni(NO3)2·6H2O、50％的Mn(NO3)2溶液和CO(NH2)2为原料,采用低温燃烧法合成了LiNi0.5Mn0.5O2。采用原子吸收光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电池性能测试仪和电化学工作站对合成产物的组成、结构、形貌和电化学性能进行了表征。通过正交试验和单因素试验对低温燃烧法合成LiNi0.5Mn0.5O2的工艺条件进行了优化。考察了点火温度、回火温度、回火时间及锂过量对合成产物电化学性能的影响。研究结果表明,点火温度、回火温度、回火时间及锂过量对合成产物的电化学性能均有影响。采用低温燃烧法合成LiNi0.5Mn0.5O2的最佳工艺条件为:在550℃点火使原料发生自蔓延燃烧反应,将燃烧产物在850℃回火处理16h,原料中锂过量10％。在此条件下合成的LiNi0.5Mn0.5O2具有α-NaFeO2型层状结构、球状形貌和良好的电化学性能。在2.5-4.6V电压区间内,首次放电比容量达到170.81mAh·g-1,50次循环后放电比容量仍保有140.72mAh·g-1,容量保持率为82.4％。
⑵选择铝作为掺杂元素,对LiNi0.5Mn0.5O2进行了掺杂改性试验。采用X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、电池性能测试仪和电化学工作站对掺铝量不同的合成产物LiNi0.5Mn0.5-xAlxO2(x=0.025,0.05,0.075,0.1)的结构、形貌及电化学性能进行了表征。考察了掺铝量对LiNi0.5Mn0.5O2的结构、形貌和放电容量、循环性能、速率容量、电化学极化和阻抗的影响,采用对比分析法研究了镍锰酸锂的最佳掺铝量。研究结果表明,掺铝对LiNi0.5Mn0.5O2的结构、形貌和电化学性能均有影响,用适量的铝取代LiNi0.5Mn0.5O2中的部分锰能使材料的放电容量、循环性能和速率容量得到显著提高,镍锰酸锂的最佳掺铝量为5％。适量掺铝能使LiNi0.5Mn0.5O2的电化学性能得以改善的主要原因是:用适量的铝取代LiNi0.5Mn0.5O2中的部分锰后,使得LiNi0.5Mn0.5-xAlxO2中的(Ni,Mn,Al)-O键的平均键长有所缩短,晶体结构得到加强,锂离子的嵌入／脱出通道变宽,阳离子有序度提高,电化学极化和阻抗减小。