层状富锂锰基正极材料的改性研究

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层状富锂锰基正极材料由于拥有较高的放电比容量、放电电压及原材料廉价等特点,是下一代高能量密度正极材料中最具发展潜力的候选材料。然而,材料较差的倍率性能、放电容量衰退和电压衰减等问题阻碍了商业应用。这些问题主要和高电压下充放电晶格氧的释放所引发的一系列结构转变有关。本论文将包覆和掺杂改性手段相结合深入研究材料晶格氧的释放和结构转变问题及对材料电化学性能的影响,为该类材料的商业发展提供了理论依据和技术路线。主要研究内容如下:(1)选取Na2S作为改性材料,将调节晶格和修饰界面相结合对富锂锰基正材料进行改性工作。首先,在高温固相法煅烧合成该材料阶段,少6%的Li2CO3的正极材料的电化学性能表现最佳,该材料用于接下来的改性研究。随后,在Na2S处理材料后,在晶格中Na+和S2-原子分别替代Li+和O2-原子,大半径离子的掺杂能提高Li+离子的脱嵌速率,同时电负性较小的S2-掺杂有利于抑制氧气的释放。此外,在界面上形成了外延生长的Na2Mn(SO4)2材料,该相作为界面惰性保护层,阻止电解液和界面之间的副反应的同时在表面形成了氧空位,有利于提高O原子参与氧化还原反应的可逆性。在界面修饰和内部晶格调控的共同作用下,在经过水洗处理后,在0.1C电流下,引入质量3%的Na2S的材料的首圈放电容量为305 m A h g-1,在1 C电流下拥有219 m A h g-1的比容量,循环200圈后拥有88.20%的容量保持率。(2)选取K2Fe O4作为改性材料,将调节晶格和修饰材料界面相结合对富锂锰基正材料进行改性工作。首先,经过K2Fe O4处理后的正极材料,在材料表面引入了Li5Fe O4界面保护层,抑制诱导氧气产生的副反应。其次,3d Fe原子嵌入晶格中,激活还原性耦合机制,促进氧参与反应,释放更高的放电比容量。除此之外,密度泛函理论计算显示O 2p非成键轨道能量降低,稳定了晶格氧的同时具有较高的能量储存电压。电化学性能显示,在0.1C电流下,改性材料释放307m A h g-1的首圈放电比容量,对应82.09%的库伦效率。在充放电循环100圈后,拥有88.34%的容量保持率。
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