三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备及电化学性能研究

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随着电动产品的不断普及,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极由于热稳定性好,寿命长,安全性能好等优点发展前景广阔。但是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的倍率性能需要被进一步提高,良好的高倍率性能能让电子产品实现快速充放电,提高利用效率。本论文以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2为研究对象,制备具有优异倍率性能的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极,并探究其结构、形貌与倍率性能、循环性能等电化学行为之间的联系,本论文的主要内容与结论如下:首先,采用乙醇/水作为混合溶剂的溶剂热法,通过控制尿素的加入量,制备得到从盘状到球状四种不同形貌的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。对上述制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极展开电化学性能测试,结果表明:在1 C时,半封闭状的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的放电容量最高(167 mAh g-1),比表面积最小的球状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的放电容量最低(145 mAh g-1)。其中半封闭状的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极在2、5、10 C的放电容量为157.7、140.9、114.3 m Ah g-1,表现出优异的高倍率性能。其次,通过锂离子扩散系数(DLi+)的测试得到,盘状到球状四种不同形貌的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的DLi+分别为1.81×10-8、2.77×10-8、2.03×10-8、1.79×10-8 cm2s-1,半封闭状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极的扩散系数最大,结合其XRD、SEM、EDS、BET等表征结果分析得到:半封闭状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极具有优异的高倍率性能的原因是由于其半封闭的结构使电解液在其内部的扩散面积更广,大的接触面积下构建宽阔的离子-电子运输网络,使Li+的内部传输距离被缩短,从而提高半封闭状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的高倍率性能。最后,本论文进一步用模板法联合共沉淀法共同制备了米糕状形貌的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(R-NCM),且研究其倍率性能、循环性能等电化学行为。通过XRD、SEM、EDS、BET等表征手段得知R-NCM呈米糕状、具有良好的层状结构、结晶度高且阳离子混排低。测试R-NCM正极的电化学性能结果得出:在0.2、0.5、1、2、3、5 C下的放电容量分别为165.4、158.0、153.2、146.0、135.8、112.6 mAh g-1,在1 C下循环250次后的放电容量为115.2 m Ah g-1,显示出R-NCM良好的倍率性能和循环性能。通过R-NCM正极的交流阻抗(EIS)和DLi+测试结果得出,其电荷传递电阻Rct约为130Ω,DLi+为1.35×10-8cm2s-1,表明R-NCM正极的导电性和Li+在内部的扩散速度也得到一定提升。
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