球形鎳錳酸鋰的低溫燃燒合成及摻雜改性.pdf

1、正極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵材料,對鋰離子電池的充放電性能、安全性能和價(jià)格有著十分重要的影響。目前商業(yè)鋰離子電池主要采用LiCoO2作正極材料。由于鈷資源匱乏,價(jià)格昂貴且毒性較大,開發(fā)無鈷的新型正極材料成為鋰離子電池的重要發(fā)展方向。鎳錳酸鋰(LiNi0.5Mn0.5O2)集中了LiNiO2和LiMnO2的優(yōu)勢,具有成本低、比容量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦弯囯x子電池正極材料。但鎳錳酸鋰本身存在電導(dǎo)率低、倍率

2、放電性能差等問題,合成方法對其性能和成本也有重要影響。采用傳統(tǒng)的高溫固相反應(yīng)法合成的鎳錳酸鋰形貌不規(guī)則,且容易出現(xiàn)雜質(zhì)相,性能不穩(wěn)定；采用共沉淀法能得到形貌規(guī)則、物相單一的鎳錳酸鋰,但合成過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高。本文在綜合分析鋰離子電池正極材料的研究進(jìn)展,特別是鎳錳酸鋰研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,采用低溫燃燒法成功地合成了具有球狀形貌的LiNi0.5Mn0.5O2,并通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)對其合成工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化；選擇改性效果良好的鋁作為摻雜

3、元素,對LiNi0.5Mn0.5O2進(jìn)行了摻雜改性試驗(yàn),取得以下研究成果和認(rèn)識：
　　 ⑴以LiNO3、Ni(NO3)2·6H2O、50％的Mn(NO3)2溶液和CO(NH2)2為原料,采用低溫燃燒法合成了LiNi0.5Mn0.5O2。采用原子吸收光譜儀、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、電池性能測試儀和電化學(xué)工作站對合成產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)對低溫燃燒法合成LiNi0.5Mn0.5O

4、2的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化。考察了點(diǎn)火溫度、回火溫度、回火時(shí)間及鋰過量對合成產(chǎn)物電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明,點(diǎn)火溫度、回火溫度、回火時(shí)間及鋰過量對合成產(chǎn)物的電化學(xué)性能均有影響。采用低溫燃燒法合成LiNi0.5Mn0.5O2的最佳工藝條件為:在550℃點(diǎn)火使原料發(fā)生自蔓延燃燒反應(yīng),將燃燒產(chǎn)物在850℃回火處理16h,原料中鋰過量10％。在此條件下合成的LiNi0.5Mn0.5O2具有α-NaFeO2型層狀結(jié)構(gòu)、球狀形貌和良好的電化學(xué)性能。

5、在2.5-4.6V電壓區(qū)間內(nèi),首次放電比容量達(dá)到170.81mAh·g-1,50次循環(huán)后放電比容量仍保有140.72mAh·g-1,容量保持率為82.4％。
　　 ⑵選擇鋁作為摻雜元素,對LiNi0.5Mn0.5O2進(jìn)行了摻雜改性試驗(yàn)。采用X射線衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、電池性能測試儀和電化學(xué)工作站對摻鋁量不同的合成產(chǎn)物L(fēng)iNi0.5Mn0.5-xAlxO2(x=0.025,0.05,0.075,0.1)的結(jié)

6、構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能進(jìn)行了表征?？疾炝藫戒X量對LiNi0.5Mn0.5O2的結(jié)構(gòu)、形貌和放電容量、循環(huán)性能、速率容量、電化學(xué)極化和阻抗的影響,采用對比分析法研究了鎳錳酸鋰的最佳摻鋁量。研究結(jié)果表明,摻鋁對LiNi0.5Mn0.5O2的結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能均有影響,用適量的鋁取代LiNi0.5Mn0.5O2中的部分錳能使材料的放電容量、循環(huán)性能和速率容量得到顯著提高,鎳錳酸鋰的最佳摻鋁量為5％。適量摻鋁能使LiNi0.5Mn0.5O2的