论文部分内容阅读
锂离子电池作为一种备受瞩目的新能源器件,具有绿色环保、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、反应机理简单等优点,已成为近年来的研究热点并在移动设备中广泛应用。开发高能量密度、良好循环性能的锂离子正极材料,是锂电研究中的重点。镍基三元正极材料LiNi1xyCoxMnyO2具有较高的比容量(理论比容量约280 mAh g-1),成为下一代锂离子电池材料中最具发展潜力的材料。其中LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2在能量密度、价格、结构稳定性等方面具有综合优势,有望成为未来动力电池的主流材料。然而LiNi0.5Co0.2Mn0.302的倍率性能较差,在高电压(大于4.6V)时容量衰减较快等问题制约其进一步发展和工业化应用。并且材料的制备过程直接影响原子的排列,进而影响材料的结晶性能、微观形貌、粒径尺寸以及最终的电化学性能。本论文综述了有关LiNi1-x-yCoxMnyO2材料方面的研究进展,并基于此采用共沉淀法制备LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料,研究了合成条件对前驱体的影响及最佳制备工艺参数。除此之外,为了进一步提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料的性能,首次通过共掺杂的方法制备了LiNi0.48Co0.18Mn0.3Mg0.02Ti0.02O2材料,以及首次提出了利用Li2Ti03作为包覆层改性LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料。采用化学共沉淀法,以硫酸盐为原料,氨水为络合剂,NaOH为沉淀剂,制备得到颗粒均匀的镍钴锰氢氧化物Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体,通过跟Li2C03混合烧结后得到类球形的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。采用热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对样品的结构、形貌、粒径分布进行表征,并利用恒流充放电测试对材料的电化学性能进行了分析。结果表明,在pH=11.5的条件下制备得到的前驱体,与Li2C03混合后,900 ℃下烧结后的正极材料,球形形貌规整,具有层状结构和优异的电化学性能,首次放电比容量达159 mAh g-1 60次充放电循环后放电比容量为147.1 mAh g-1,容量保持率为92%。可见所制备的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料具有高放电比容量、良好的循环性能和结构稳定性。为了改善三元正极材料的电化学性能,采用Ti02和MgO对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2进行双掺杂改性,制备出LiNi0.48Co0.18Mn0.3Mg0.02Ti0.02O2,并对其晶体结构、微观形貌以及电化学性能进行了表征。XRD精修结果表明LiNi0.48Co0.18Mn0.3Mg0.02Ti0.02O2具有良好的结晶性和较好的层状结构,原子有序化程度高,具有优异的循环寿命和倍率性能。LiNi0.48Co0.18Mn0.3Mg0.02Ti0.02O2材料在0.5C, 1C,2C,3C和5C下首次放电比容量分别为 151.5 mAh g-1,140.1 mAh g’1, 137.1 mAh g-1,125.2 mAh g-1 和 115.3 mAh g-1,100次循环保持率分别为94%、96%、96%、94%和93%。电化学性能的提升充分说明多元掺杂获得的LiNi0.48Co0.18Mn0.3Mg0.02Ti0.02O2是一种具有潜力的正极材料。对于材料而言,其在高电压下工作容量衰减较快。为提升材料的高压稳定性,以Ti(C4H90)4和LiOH为原料,采用溶胶-凝胶法LiNi0.5Co0.2Mn0.302材料表面包覆Li2Ti03。结果表明包覆6 wt.%的Li2TiO3,厚度大约为20 nm的样品不仅在大倍率充放电,而且在高电压4.8V条件下,均表现出优异的电化学性能。室温下,以1C进行充放电,表现出高的首次放单比容量(181.5 mAh g-1)经过150次循环后,循环保持率为69%。