鋰離子電池LiCo-,1-3-Ni-,1-3-Mn-,1-3-O-,2-正極材料及安全性的研究.pdf

1、本文圍繞鋰離子電池爆炸機(jī)理及安全性改進(jìn)這一主題展開了熱穩(wěn)定性好的正極材料LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成與改性、防過充劑和阻燃劑的研究。首次對(duì)LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；首次通過陰陽(yáng)離子Cl-、Br-、Zn2+、Zr4+、Ge4+摻雜和Mg2(PO4)3包覆對(duì)LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2的動(dòng)力性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行改性研究；首次把TCEP阻燃劑和環(huán)己苯防過充添加劑協(xié)同用在

2、自主設(shè)計(jì)的F型鋰離子動(dòng)力電池中。本工作主要圍繞以下幾方面工作進(jìn)行： 在對(duì)鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱根源分析的基礎(chǔ)上，探討了鋰離子電池在高溫、過充以及短路狀態(tài)下的爆炸機(jī)理。發(fā)現(xiàn)嵌鋰碳與溶劑、電解液熱分解和正極熱分解反應(yīng)是誘發(fā)電池高溫加熱時(shí)爆炸的主要原因；過充時(shí)，過量的鋰離子沉積在負(fù)極表面，嵌鋰碳與溶劑的反應(yīng)促使電池的爆炸；電池短路瞬間電流產(chǎn)生的熱量可能達(dá)到正極熱分解的溫度，正極熱分解導(dǎo)致電池的熱失控。鋰離子電池的安全性可以通過下面的研究得

3、到改進(jìn)。 共沉淀法合成了熱穩(wěn)性較好的LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元復(fù)合正極材料并測(cè)試了其安全性。結(jié)果表明：共沉淀形成過程中控制pH在11±0.2，Li/(Mn+Co+Ni)=1.05～1.10，900℃燒結(jié)12～20h合成的材料具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能；LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2起始分解溫度在211℃，269℃達(dá)到最大放熱峰，放熱量為252J/g，安全性優(yōu)于LiCoO2。首次系統(tǒng)的分析了Lix

4、Ni1/3Co1/3Mn1/3O2電極過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明電池的結(jié)構(gòu)，電極的嵌鋰狀態(tài)，測(cè)試溫度對(duì)該電極的反應(yīng)過程都有很大的影響，鋰離子擴(kuò)散步驟是LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制步驟。 通過離子摻雜和表面修飾對(duì)LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料改性，以期提高其動(dòng)力性與安全性。首次合成了Cl-、Br-離子摻雜的LixNi1/3Co1/3Mn1/3O1.95M0.1材料，測(cè)試結(jié)果表明5％的鹵素

5、陰離子(Cl-、Br-)替代O2+可以提高材料的放電比容量、大倍率循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其中Cl-的作用效果更好。探討了過渡金屬離子(Zn2+、Fe3+、Ti4+、Zr4+)摻雜對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能的影響，摻雜后材料的放電容量的順序?yàn)椋篢i4+-doped＞no doped＞Zr4+-doped=Fe3+-doped＞Zn2+-doped；倍率放電能力依次為：Ti4+-doped＞Zr4+-doped＞Zn2+-doped no doped＞

6、Fe3+-doped；脫鋰材料的熱穩(wěn)定性順序依次為：Ti4+-doped＞Zr4+-doped＞Zn2+-doped＞Fe3+-doped=nodyed。主族金屬離子摻雜表明5％的Ge4+、Sn4+摻雜可以提高材料的倍率循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，Ge4+摻雜作用效果優(yōu)于Sn4+摻雜。Mg2(PO4)3包覆可以提高Li1.05Ni1/3Mn1/3Co1/3O2的大電流放電能力以及熱穩(wěn)定性。 系統(tǒng)的研究了聯(lián)苯和環(huán)己苯對(duì)鋰離子電池的過充保

7、護(hù)作用機(jī)理。隨環(huán)已苯濃度的增大，對(duì)電池的過充保護(hù)能力增強(qiáng)，對(duì)電池的綜合電性能影響加大，5～7％是比較合適的添加比例。聯(lián)苯或環(huán)己苯配合防爆安全閥能很好的防止電池的過充。5％聯(lián)苯或7％環(huán)己苯與2％含氮化合物三乙胺復(fù)合使用可以提高電池過充能力，防止電池膨脹，但導(dǎo)致電池容量的衰減，內(nèi)阻的增大。5％聯(lián)苯與1％的成膜添加劑VC復(fù)合使用可提高電池的過充能力，防止電池的膨脹。 自主設(shè)計(jì)了高安全高動(dòng)力性的F型LiMn2O4/C鋰離子動(dòng)力電池。雙極