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现代社会对锂离子电池的需求在不断增加,对锂离子电池的性能和价格的要求也在不断提高。正极材料是锂离子电池的关键材料之一,其性能和价格对锂离子电池的性能和价格具有决定性的影响。目前已有的一些正极材料很难满足高能量密度和高功率密度电池的要求。富锂层状正极材料xLi2MnO3-(1-x)LiMO2具有比容量高(200-300mAh/g)、循环性能好、成本相对低廉等优点而受到人们的关注,是一种极具发展潜力的新型正极材料。本文在综合分析锂离子电池正极材料特别是富锂层状正极材料xLi2MnO3-(1-x)LiMO2(M=Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Ni1/2Mn1/2、Ni1/3Co1/3Mn1/3等)的特点和研究现状的基础上,选择xLi2MnO3-(1-x)LiNiO2作为研究对象,开展了以下研究工作,取得了一些研究结果和认识: 1.以LiNO3、Ni(NO3)2·6H2O、50％的Mn(NO3)2溶液和尿素为原料,采用低温燃烧法合成了富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2,研究了合成工艺条件对其结构和电化学性能的影响。实验结果显示,通过低温燃烧和回火处理能够得到具有α-NaFeO2型层状结构,球形、类球形形貌的富锂层状正极材料,其最佳合成工艺条件是:点火温度500℃、回火温度850℃、回火时间20h。 2.研究了Li2MnO3的含量和锂过量对富锂层状正极材料xLi2MnO3-(1-x)LiNiO2的结构和电化学性能的影响。实验结果表明,随着Li2MnO3含量的增加,正极材料的超晶格结构特征越来越明显,最高放电比容量则先增后降,在x=0.7时放电比容量达到最大。配料时锂过量或锂缺量都不好,即最佳的锂过量为0。原料中少量缺锂的正极材料,其电化学性能优于锂过量者。但锂缺量增多,其充放电容量也会明显下降。 3.采用低温燃烧法在优化条件下合成的富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2具有良好的循环性能。充放电过程中正极材料的结构和形貌都相当稳定,放电比容量随循环次数的增加逐渐增大,50次循环后还有增大的趋势。充放电截止电压和电流密度对富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的放电比容量均有影响,扩大充放电电压范围和降低电流密度均能明显提高正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的充放电容量。在2.0-4.8V之间以20mA/g的电流密度充放电,正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的放电比容量最高可达300.9mAh/g。 4.研究了充放电循环过程中正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的电化学反应和Mn离子的价态变化。研究结果显示,随着循环的进行,正极材料中越来越多的Mn4+转化为Mn3+并参与到以后的电化学反应中。这是造成此类正极材料在开始的若干次循环中放电比容量随循环次数的增加而增大的原因,也是此类正极材料高容量的来源。 5.以低熔点的乙酸盐和硝酸盐为原料,采用熔盐燃烧法合成了具有α-NaFeO2型结构,球形、类球形形貌的富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2。发现原料中乙酸盐和硝酸盐的比例对正极材料的结构和电化学性能有较大的影响,CH3COO-/NO3-的最佳比值为4:1。回火方法对熔盐燃烧法合成的富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的结构、形貌和电化学性能也有影响,采用微波回火能够缩短合成时间,而用马弗炉回火能够得到电化学性能较好的富锂层状正极材料。 6.对熔盐燃烧法和低温燃烧法在相同工艺条件下制备的富锂层状正极材料0.7Li2MnO3-0.3LiNiO2的结构、形貌和电化学性能进行了比较。结果表明,用这两种方法合成的正极材料的结构和形貌差别不大,采用低温燃烧法合成的正极材料的放电比容量较高,循环性能较好。