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锂离子二次电池具有工作电压高、比能量高、体积小、质量轻、内电阻小、自放电率低、可快速充电、无记忆效应、可循环使用等优点,是继镍氢电池之后的新一代可充电电池,其中正极材料是锂离子电池的一个重要组成部分,正极材料的性能对锂离子电池的工作性能有着很大影响。
目前被商品化的锂电池正极材料只有层状LiCoO2,由于其具有可逆性、放电容量高、充放电效率高、工作电压稳定等优点而被普遍采用。然而,在锂离子电池中正极材料不可避免地暴露于电解液中,正极材料与电解液之间的恶性相互作用引起性能恶化,造成锂离子电池多次循环后的电化学性能并不理想;另外,研究发现,在多次充放电过程中,由于锂离子的反复嵌入和脱出,使LiCoO2结构经历多次收缩和膨胀,结构发生改变,导致LiCoO2发生颗粒间松动而脱落,使内阻增大,容量减小;加之LiCoO2安全性差且Co价格昂贵、资源短缺、存在污染,因此急需开发比能量高、稳定性好、成本低廉的新型正极材料。
本文以LiOH·H2O和Co2O3为反应原料,用高温固相法合成了单一相层状LiCoO2正极材料,并对其性能进行了测试,发现其首次充放电容量高、充放电效率高,但是在循环25圈后,其放电容量衰减变快,循环性能变差。
为改善LiCoO2的循环性能,本文采用均匀沉淀法,以醋酸镁[Mg(CH3COO)2·4H2O]和氨水[NH4·OH]为原料,对试验室合成的LiCoO2正极材料进行了表面包覆MgO的处理,循环性能测试结果表明,在多次循环后,包覆MgO的LiCoO2的循环性能好于未包覆的。通过试验得出2%为最佳包覆量。
为解决Co资源匮乏造成的正极材料的价格昂贵问题,通过试验希望寻找到一种Co的替代氧化物或能对Co进行部分替代的氧化物,因为Fe和Co原子序数只差1,而且它们很多性质相近,所以试验中选用了Fe元素作为掺杂元素,并对掺杂后得到的材料进行了性能测试。测试结果表明,合成的锂铁钴氧(LiFexCo1-xO2)正极材料中只有LiFe0.1Co0.9O2和LiFe0.2Co0.8O2具有一定的初始充放电容量,但它们的循环性能均较差,还有待更深入的研究。