富鋰層狀氧化物正極材料的合成及性能穩(wěn)定化研究.pdf

1、鋰離子二次電池由于具有一系列優(yōu)點(diǎn)在電子設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)、軍事、航空/航天領(lǐng)域最理想的電源之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋰離子二次電池性能，尤其是能量密度提出了越來(lái)越高的要求。正極材料作為鋰離子二次電池的主要組成部分，決定性著電池的性能。富鋰層狀氧化物正極材料作為重點(diǎn)研發(fā)的下一代正極材料之一，具有250mAh?g-1的容量，但其在活化和循環(huán)過(guò)程中固溶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致出現(xiàn)容量衰減和電壓下降等問(wèn)題，影響了實(shí)際應(yīng)用。

2、
　　本論文在總結(jié)富鋰層狀氧化物正極材料研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展0.4Li2MnO3?0.6LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其Al3+、Mg2+摻雜和Mg2+梯度摻雜材料、復(fù)合材料的合成和性能研究，結(jié)合Rietveld晶相結(jié)構(gòu)精修等晶相結(jié)構(gòu)分析手段和電化學(xué)研究手段深入研究晶相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的演變規(guī)律。
　　論文通過(guò)優(yōu)化合成工藝，研究熱處理溫度、鋰源和鋰鹽比例對(duì)富鋰層狀氧化物正極材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究表明，富鋰

3、層狀氧化物正極材料在首次活化過(guò)程中單斜晶相會(huì)發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)較大的不可逆容量；在循環(huán)過(guò)程中六方晶相會(huì)逐漸向尖晶相轉(zhuǎn)變，使正極材料電化學(xué)性能衰減；熱處理溫度為900℃，LiOH作為鋰源，以過(guò)量3％的鋰鹽比例合成的材料，經(jīng)Rietveld晶相結(jié)構(gòu)精修表明具有較高層狀規(guī)整度和適宜六方/單斜晶相比例，兼顧高容量和循環(huán)穩(wěn)定性，具有255mAh?g-1的容量，循環(huán)100次后，材料容量保留率為94.5%。
　　通過(guò)離子摻雜改性提高富鋰層狀氧化

4、物正極材料中六方晶相的循環(huán)穩(wěn)定性，從而改善材料的電化學(xué)性能。系統(tǒng)研究Al3+、Mg2+摻雜改性和Mg2+梯度摻雜改性材料晶相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的演變規(guī)律。研究表明5%Al3+摻雜改性富鋰層狀氧化物正極材料循環(huán)100次電壓降為0.23V，容量保持不變。5%Mg2+摻雜改性材料循環(huán)60次其中六方晶相容量保留率為93%，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Mg2+梯度摻雜改性材料在2.0～4.5 V循環(huán)具有較低極化電壓，六方晶相的晶相轉(zhuǎn)變減緩，具有198.3

5、mAh?g-1的容量，循環(huán)100次容量保留率高達(dá)99.9%，電壓降為0.06V。
　　系統(tǒng)研究引入尖晶石相的富鋰層狀氧化物正極材料電化學(xué)性能演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，尖晶石相表面改性有效提高正極材料首次庫(kù)侖效率、循環(huán)容量保留率和倍率性能。石墨共混熱處理的正極材料表面會(huì)出現(xiàn)尖晶石相，C/5倍率下首次放電容量為239.7mAh?g-1，循環(huán)100次容量保留率為85.8%。20wt%尖晶石相表面改性材料在C/5倍率放電，首次庫(kù)侖效率為91.6

6、%，循環(huán)100次容量保留率為85%。具有優(yōu)異倍率性能，5C倍率下容量為178.6mAh?g-1。尖晶石相體相復(fù)合降低正極材料內(nèi)部極化阻抗，提高鋰離子傳輸能力，6wt%尖晶石相體相復(fù)合正極材料在2.0～4.5 V循環(huán)，容量為213mAh?g-1，循環(huán)100次電壓降為0.15V，在2C倍率下容量可達(dá)196.5mAh?g-1。
　　論文研究結(jié)果表明，富鋰層狀氧化物正極材料中單斜晶相的晶相轉(zhuǎn)變是高容量的主要來(lái)源，六方晶相的相變是導(dǎo)致正極材