富镍单晶氧化物的制备与电化学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fyq20061001
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通过调节镍钴锰三者的比例制备出的Li Ni0.8Mn0.1Co0.1O2三元正极材料(简称为NCM 811)具有能量密度高、功率密度高的特点,这种经济型的正极材料被广泛应用到锂离子电池中。Ni/Co/Mn三种不同过渡金属元素之间的相互影响,凭借高能量优势在动力电池正极材料中占据相当高的地位。应用较为广泛的二次颗粒堆积型高镍NCM 811材料在电池循环过程中会产生诸多问题。例如,堆积状态所产生的内部应力分布不均匀导致层状结构的坍塌和正极材料表面的体积收缩,多次循环导致材料表面产生微裂纹,严重时裂纹会延伸至材料内部,电解液沿裂纹深入内部产生副反应,引发容量衰减、循环性能下降等一系列问题。单晶NCM 811正极材料的突出优势在于比表面积小,降低活性材料与电解液的接触面积。同时,具有单晶结构的NCM 811正极材料由于机械强度高可以获得高压实密度,提升功率密度。通过对单晶NCM 811材料的合成及改性工艺进行研究,优化电极材料性能;通过扫描电镜、XRD等测试进行结构和形貌表征,并通过常用的电化学性能测试(循环、倍率、CV等)对比得出以下结论:(1)采用不同的煅烧方案进行对比实验,分别采用一步固相和两步固相法煅烧制备单晶NCM 811正极材料。实验结果表明,一步高温煅烧具有低的经济成本和高的生产效率,并能实现电池循环性能最优。进行800℃~910℃进行高温煅烧,探究了随着温度升高,单晶NCM 811正极材料微观形貌的变化过程。结果表明,温度超过870℃时,材料由二次团聚体变为分散的单晶形貌,910℃煅烧所得单晶颗粒分散程度最好,电极循环性能最佳,在100次循环后容量保持率为93.54%。继而选取了三种不同的前驱体进行锂配比探究,分别设定氢氧化锂与前驱体摩尔比(Li/TM)为1.1、1.2、1.4进行对比。结果表明,随着混锂量的递增,单晶颗粒尺寸依次增大,锂配比通过影响单晶颗粒尺寸的大小进而影响材料的电化学性能,且三种不同的前驱体的最佳混锂比存在差异。(2)通过对比,选取其中一种前驱体采用高温固相法分别进行单晶NCM811的铝和铌掺杂改性实验,对改性后材料的结构、形貌和电化学性能进行了研究。实验结果表明,与未掺杂的单晶NCM 811相比,经过铝掺杂改性的单晶材料由于颗粒尺寸太大,阻碍了锂离子扩散,使得放电比容量降低。而经过Nb2O5掺杂改性后的单晶材料具有更好的电化学性能,初始放电比容量为185.6m Ah·g-1,经过100次循环后容量保持率为85.84%。掺杂铌之后相对于原始单晶材料明显提升了整体放电比容量,而且倍率性能有很大提升。
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