鋰離子電池三元正極材料LiNixCoyMnzO2的合成與改性研究.pdf

1、LiNixCoyMnzO2正極材料因兼具鎳酸鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰的優(yōu)點(diǎn)，具有容量較高、熱穩(wěn)定好、價(jià)格較低和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有可能取代鈷酸鋰的新型正極材料之一。如何讓LiNixCoyMnzO2正極材料在擁有更高能量密度的同時(shí)擁有更好的電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性是目前的研究熱點(diǎn)之一。
　　本論文選取低Co含量的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2為主要研究對(duì)象。采用共沉淀結(jié)合高溫?zé)Y(jié)法，優(yōu)

2、化一系列實(shí)驗(yàn)條件合成類球形LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料;對(duì)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2進(jìn)行CoAl2O4表面包覆改善其在高充電電壓下的電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性;為提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的電化學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能，對(duì)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiFePO4進(jìn)行了一系列的球磨混合研究。
　　在第三章，通過(guò)氫氧化物共沉淀法合成類球形Ni1/3 Co1/3Mn1/3(OH)2前驅(qū)體，

3、并對(duì)其合成工藝條件如絡(luò)合劑（氨水）濃度、反應(yīng)時(shí)間、進(jìn)料速度和攪拌速度等進(jìn)行探索討論，得到最優(yōu)化工藝條件:氨水濃度為2.5 mol·L-1，進(jìn)料速度為1mL·min-1，反應(yīng)時(shí)間為8.5 h，攪拌速度為1000 r·min-1，控制pH為10.9，水浴溫度55℃，金屬鹽及氫氧化鈉溶液濃度分別為2和4 mol·L-1。得到的前驅(qū)體與LiNO3按摩爾比1∶1.05充分混合，然后在氧氣氣氛下，經(jīng)300℃預(yù)燒5h，而后高溫850℃煅燒12h得類球

4、形LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，在充放電電壓3～4.3V，電流密度70 mA·g-1條件下，首次放電容量為145.8 mAh·g-1，100次循環(huán)之后容量保持率為93.3％;而在3～4.6 V的高充電電壓下，首次放電容量提高至181.9 mAh·g-1，但100次循環(huán)保持率僅為86.4％。
　　在第四章，采用共沉淀法對(duì)上述類球形LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料表面進(jìn)行CoAl

5、2O4包覆改性研究。結(jié)果表明，CoAl2O4包覆改善了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在高充電電壓下的電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。通過(guò)一系列包覆量的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)包覆量為1 wt％時(shí)性能最優(yōu)，該材料在充放電電壓區(qū)間為3.0～4.6V，電流150 mA·g-1的條件下，首圈放電比容量為174.7 mAh·g-1，循環(huán)100次后容量保持率為93.7％;而未包覆的材料100次循環(huán)保持率為74.4％。高溫下(55℃)百圈循環(huán)的容量保持率也從17.

6、7％提高到77％。此外，倍率性能也得到提升，在10 C的倍率下，包覆前樣品容量為41 mAh·g-1，包覆后樣品為127.2 mAh·g-1。Mn溶解量及循環(huán)后材料的XRD測(cè)試結(jié)果表明CoAl2O4表面包覆可以抑制Mn在電解液的溶解作用，使材料的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。
　　在第五章，采用機(jī)械球磨的方法制備了LiNi0.5Co0.2Mn0.3 O2/LiFePO4混合材料，對(duì)球磨的工藝條件如分散劑、球磨轉(zhuǎn)速及兩種材料比例進(jìn)行優(yōu)化，最佳條件為

7、:以乙醇為分散劑，球磨速度200 r·min-1，LiFePO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％。對(duì)最佳條件下制得的材料進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試及熱穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果表明，LiFePO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的混合材料在充放電電壓區(qū)間為3～4.3 V，電流80mA·g-1的條件下，首次放電容量143.5 mAh·g-1，50次循環(huán)后的容量保持率為96.8％，優(yōu)于LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料的90.8％; DSC數(shù)據(jù)表明混合材料的放熱量減少，熱穩(wěn)定性能得