锂离子正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的制备与改性研究

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随着电动汽车和便携式电子设备的广泛应用,锂离子电池得到迅速发展,同时,市场对电池的能量密度有了更高的要求。提高锂离子电池能量密度的主要挑战在于研发高容量电极材料。Li Ni0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)具有高的理论容量、成本低廉等优势,是高能量密度电池的重要正极材料之一。但是,NCM622存在高电压下循环稳定性差、倍率性能差等问题,严重阻碍了其进一步商业化应用。针对以上问题,本论文从两方面来进行改进,首先是对前驱体共沉淀工艺进行严格的把控,主要研究了表面活性剂CTAB优化前驱体的制备过程,制备出球形度良好的粒径分布均匀的正极材料颗粒,然后在此基础上分别进行了阴离子掺杂和表面包覆进一步提升材料的储能性能。主要研究内容如下:为了合成球形度和粒径分布优异的前驱体颗粒Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2,首先严格控制共沉淀法试验参数,p H、氨水浓度、温度、搅拌速度、陈化时间和反应时间等因素对前驱体球成形的影响进行了探索,根据振实密度和粒径分布情况,确定了最佳的共沉淀工艺参数。为了进一步改善前驱体颗粒的球形度,引入表面活性剂十六烷基三甲基溴(CTAB),通过调节CTAB的加入量,成功的合成了表面致密、球形度良好的前驱体颗粒,测试其不同CTAB添加量下的电化学性能发现,当CTAB添加量为0.3 g时,0.1 C的放电比容量为200.4 m Ah/g,容量保持率为90.9%,展现出较好的循环稳定性和倍率性能。以低成本、高放电比容量和高循环稳定性为目标,通过固相烧结法成功合成了溴掺杂NCM-B,测试其不同掺杂浓度下的电化学性能,电化学测试结果表明,当掺杂浓度为5%时,在0.1 C的电流密度下循环性能最为优异,循环50次后容量保持率最高为96.6%,随着电流密度增大,发现在1 C下初始放电比容量相比原始样品虽然略有降低,但循环保持率有较大提升,改善了结构稳定性。所以,确定最合适的溴掺杂浓度为5%。利用简单球磨法将磷酸钛铝锂(LATP)包覆在电极颗粒表面,充分发挥其离子传输性能,进一步提升电极储能特性。结果表明,LATP成功的包覆在颗粒表面,研究了不同包覆量下电极材料的电化学表现,当包覆量为3%时,在0.5 C电流密度下初始放电比容量相比原始样品提高了15.2%,容量保持率相比原始样品也有较大提升,包覆后展现出最大放电容量和不错的循环性能。所以确定LATP的最佳包覆量为3%。
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