锂离子电池LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的制备与改性研究

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锂离子电池被认为是二十一世纪最有发展前景的化学能源之一,而锂离子电池的正极材料很大程度上决定了电池的电化学性能和成本,因此,成本低廉、电化学性能优良以及环境友好的正极材料备受关注。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料因具有工作电压高、价格低廉、循环性能好以及能量密度高等优点受到广大科研人员的追捧与研究。本文以乙酸镍、乙酸钴、乙酸锰和氢氧化锂为实验原料,通过化学共沉淀法合成LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料,探究了不同配锂量、沉淀剂配比量、煅烧时间和煅烧温度四项因素对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料制备的影响。在最佳制备条件下,对材料进行Na+掺杂以及Na+、Cl-复合掺杂,以期改善材料的电化学性能。采用SEM和XRD对材料的形貌和结构进行表征,而材料的电化学性能检测则是通过充放电、循环伏安和交流阻抗测试手段进行检测。结果表明,当配锂量为1.06,沉淀剂与过渡金属摩尔比为1.5:1.0时制备的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料颗粒大小均一、分散均匀且,没有明显的团聚现象。XRD结果显示(006)/(102)和(108)/(110)两组分裂峰分裂明显,I003/I104的值为1.225,说明阳离子混排程度低,具有较好的层状结构。在2.5-4.8V电压范围内,材料在0.2C下的首次放电比容量为172.47 m Ah·g-1。然后继续研究了煅烧时间和煅烧温度对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料性能的影响。测试结果表明,当煅烧时间为12h、煅烧温度为850℃时,制备的材料衍射峰峰型尖锐、特征峰峰强高且分裂峰分裂明显、阳离子混排程度低。在0.2C下的首次放电比容量为177.82 m Ah·g-1。采用不同Na+添加量对最佳制备工艺条件下合成的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料进行改性研究,当Na+掺杂比例为3%时,材料的各项性能均为最优。XRD测试表明Na+掺杂后的样品衍射峰峰型完整,无杂质峰产生,I003/I104的值为1.396,说明Na+成功进入到材料的晶体结构当中,减弱了材料的阳离子混排,同时具有α-Na Fe O2型结构,R-3m空间群。未改性的样品在0.2C下的首次放电比容量为176.49 m Ah·g-1,而Na+掺杂量为3%的样品在0.2C时的首次放电比容量达到了190.24 m Ah·g-1,比未改性材料的放电比容量提高了7.79%。经50次充放电循环后容量保持率为73.01%,比原始材料也有明显的提升,同时锂离子扩散系数达2.01×10-14 cm~2·s-1,比原始样品高一个数量级。对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料进行Na+和Cl-复合掺杂,探讨在不同添加量下材料的性能变化。当添加量为1%时,样品的XRD整体结构完整,镍离子和锂离子混排程度低,也没有杂质峰出现。在0.2C下的首次放电比容量为187.68 m Ah·g-1,虽比单一Na+掺杂低,但也由于原始材料的首次放电比容量。经50次充放电循环后,容量保持率为74.38%,优于原始材料的55.61%和单一Na+掺杂的73.01%。
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