镍酸锂掺杂改性及玉米淀粉辅助合成研究

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二次锂离子电池作为重要的储能装置,被广泛应用于电动汽车领域。然而,目前电动汽车普遍存在续航能力不足的问题。因此,亟需开发出高能量密度的锂离子电池来提高电动汽车的续航能力。镍基正极Li Ni O2(LNO)具有高放电比容量和高能量密度的特点,是下一代电动汽车动力锂离子电池最具潜力的正极材料。但是LNO一直未被商业化,主要是因为存在以下两方面问题:一方面是难以合成成分均匀的LNO,Li/Ni混排和Li在高温下挥发会造成镍酸锂正极材料的成分不均匀。另一方面是LNO的循环稳定性差,在充放电过程中发生的有害相变,会导致晶体结构恶化,进而使其循环稳定性降低。针对以上问题,本文首先采用掺杂改性的策略来抑制有害相变和减少Li/Ni混排,以提高LNO的电化学性能。随后,通过玉米淀粉辅助溶胶凝-胶法来合成LNO以提高其成分的均匀性,从而改善其电化学性能。主要研究内容如下:首先,采用液相法合成Zn2+掺杂的LNO正极材料。研究了不同Zn2+掺杂量对LNO性能的影响。结果显示,2 mol%Zn2+掺杂的镍酸锂正极材料(LNO-2Zn)具有优异的循环性能和倍率性能。在0.1C电流密度下,2.5-4.5 V的电压范围内进行充放电测试,LNO-2Zn的首次放电比容量为237 m Ah g-1,高于未掺杂LNO的230.8 m Ah g-1;在1C下循环100次,LNO-2Zn的容量保持率为80.0%,高于未掺杂LNO的74.8%;在10C大电流密度下,LNO-2Zn的首次放电比容量为112.1 m Ah g-1,高于未掺杂LNO的48 m Ah g-1。少量的Zn2+掺杂能够抑制Li/Ni混排和有害相变,增大晶面间距及减少电荷转移阻抗,从而提高LNO的电化学性能。其次,采用液相法合成了未掺杂和掺杂的LNO样品,研究了Na、Al和Na/Al掺杂剂对LNO性能的影响。结果表明Na/Al共掺杂提高了LNO的倍率性能和循环寿命。Na/Al共掺杂正极(LNO-0.5Na-2Al)在0.5C和1C电流密度下的容量保持率均高于未掺杂正极的容量保持率;LNO-0.5Na-2Al在2C和5C电流密度下首次放电比容量分别为163m Ah g-1和138 m Ah g-1,高于LNO在相同倍率下的放电比容量127 m Ah g-1和74 m Ah g-1。由于Na/Al共掺杂增大了晶面间距、减少了Li/Ni混排程度和电荷转移阻抗、抑制了有害相变,从而提高了LNO的倍率性能和循环性能。最后,基于本文中的液相合成方法进行改进,使用玉米淀粉辅助溶胶-凝胶法合成镍酸锂正极材料(CS-LNO)。研究了玉米淀粉辅助溶胶-凝胶法合成镍酸锂材料的电化学性能。结果表明,玉米淀粉辅助合成法有利于提高镍酸锂的倍率性能和循环性能。在0.1C电流密度下,2.5-4.5 V的电压范围内进行充放电测试,CS-LNO的初始放电比容量为245.5 m Ah g-1,高于液相法合成LNO样品的228.4 m Ah g-1;在1C电流密度下循环100次,CS-LNO的容量保持率为72%,略高于液相法合成LNO样品的68%;此外,使用玉米淀粉辅助合成的LNO倍率性能有明显的提高。玉米淀粉辅助溶胶-凝胶法合成的样品具有较少的Li/Ni混排、较小的电化学极化和电荷转移阻抗,因此其具有优异的倍率性能。
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