【摘 要】
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随着社会的高速发展和传统化石能源的大量消耗,人类面临严重的能源短缺和环境污染问题。推动新能源汽车产业是缓解能源和环境问题的一种有效途径,因此受到世界范围的广泛关注。新能源汽车的核心部件是储能电池,锂离子电池因具有电压高、能量密度大、输出功率大、自放电低、循环寿命长和倍率性能高等诸多优点,是新能源汽车用动力电池的一种典型代表。但是传统锂离子电池的能量密度还无法满足人们对新能源汽车高续航里程的需求,而
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随着社会的高速发展和传统化石能源的大量消耗,人类面临严重的能源短缺和环境污染问题。推动新能源汽车产业是缓解能源和环境问题的一种有效途径,因此受到世界范围的广泛关注。新能源汽车的核心部件是储能电池,锂离子电池因具有电压高、能量密度大、输出功率大、自放电低、循环寿命长和倍率性能高等诸多优点,是新能源汽车用动力电池的一种典型代表。但是传统锂离子电池的能量密度还无法满足人们对新能源汽车高续航里程的需求,而组成电池的正极和负极材料最终决定电池的能量密度。在目前市场主要采用石墨为负极的前提下,正极材料的性能就对电池的能量密度起到了决定性作用。在正极材料中,高镍三元材料相比磷酸铁锂和钴酸锂具有更高的能量密度优势,因此受到了企业以及科研工作者的青睐。但高镍三元材料在充放电过程中存在结构不稳定性,电池的循环性能较差的问题。本文以高镍三元材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2为研究对象,从材料的精细制备和掺杂改性入手,系统研究了制备工艺和元素掺杂对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的物理性质和电化学性能的影响,以改善其循环性能。对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的商业化应用具有一定的推动作用,具体研究内容如下:通过水热法结合后续煅烧制备出纯相的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,系统研究了烧结温度及配锂量对材料电化学性能的影响。发现煅烧温度过低会使镍锂混排严重,煅烧温度过高会使材料颗粒粗大,850℃煅烧下具有最好的循环性能,800℃时具有最好的倍率性能。在相同的煅烧温度下配锂量较少会形成非化学计量比化合物,会抑制材料性能发挥,配锂量过高会形成过多的残锂化合物,亦会使材料性能变差。配锂量为1.02时具有最好的循环和倍率性能。与共沉淀法合成的材料进行对比,循环性能和倍率性能均得到大幅度提升,在0.5C电流密度下,100圈容量保持率提升7.7%,在10 C大电流密度下,倍率性能提升了 40.7 mAh g-1。从元素掺杂角度出发,制备出Al,Mg,Ti多元素共掺杂的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,综合了各元素的作用,提高了材料中锂离子的扩散动力学性能,抑制了材料在循环过程中阻抗的增加以及结构损坏,使电池的循环性能、高电压性能以及倍率性能均得到提高。Al,Mg,Ti元素共掺杂改善LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的电化学性能的主要原因可归结为以下几点:1)Al,Mg,Ti掺杂与O形成了更强的Al-O,Mg-O,Ti-O键,使材料具有更高的结构稳定性;2)掺杂增大了材料的(003)晶面,利于锂离子的传输,提高了锂离子的扩散动力学性能;3)掺杂降低材料的镍锂混排程度。
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