锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的合成及其改性研究

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锂离子电池因其较高的能量密度、较长的循环寿命和较好的安全性能在动力和储能体系中得到了大量的应用。镍钴锰三元正极材料因有较高的比容量以及较好的循环稳定性和热稳定性,而备受研究者关注。本论文选取LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2作为研究对象,通过共沉淀法制备了活性正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,探讨了以不同的锂盐作为锂源以及不同的煅烧温度对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料电化学性能的影响,并在此基础上,对材料进行了包覆改性研究,通过XRD、SEM、交流阻抗、循环伏安等测试手段,对材料结构、形貌和电化学性能进行表征。具体开展工作的实验如下:首先,研究证实了以不同的锂盐作为锂源制备得到的三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2样品,放电比容量有一定差异。其中以乙酸锂作为锂源得到的样品在0.2C的倍率下的放电容量最低,而以硝酸锂和碳酸锂作为锂源制备得到的样品的放电容量相差不大,都高于以乙酸锂作为锂源制备得到的样品的放电容量。其次,研究了不同的煅烧条件对三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2电化学性能的影响。发现不同的煅烧温度下、不同的煅烧时间得到材料的XRD谱图基本一致,都呈现出了α-NaFeO2型层状结构的特征峰。在相同的煅烧温度下,煅烧12h的正极材料首次充放电容量和效率都比煅烧20h的材料低;在相同的煅烧时间内(煅烧时间为20h),比较三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在850℃下和750℃下煅烧的电化学性能,循环35周后,在750℃下煅烧的样品放电容量降至169.4mAh/g,容量保持率为87.6%;在850℃下煅烧20h的样品放电容量降至162.1mAh/g,容量保持率为85.4%。得出在750℃下煅烧样品的循环性能和倍率性能都比在850℃下煅烧的样品好。因此,750℃下煅烧20h是制备正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的最优温度。最后,利用液相法对本体材料进行Al2O3表面包覆改性。通过对本体材料和改性后的材料进行XRD测试,发现改性后材料的主体结构没有改变,仍是层状材料,结晶度良好且无杂峰出现,证明包覆层为无定型结构,没有分散到正极材料周围或者嵌入到材料内部晶格中。由SEM图可以得出,本体材料Li Ni0.8Co0.1Mn0.1O2与不同比例的Al2O3氧化物包覆改性材料的形貌基本一致,颗粒分布比较均匀,Al2O3氧化物包覆量为1wt%和本体材料相比,包覆量为1wt%的改性材料颗粒堆积比较紧密,随着包覆量的增加,包覆量为3wt%和5wt%的材料出现了轻微的团聚现象。对包覆前后的三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的电化学性能进行了测试,发现通过液相法包覆Al2O3氧化物后,正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的循环性能相对于未做包覆的正极材料有所提高。通过循环伏安测试,表明包覆Al2O3氧化物后正极材料的电化学极化减弱。在所有的包覆比例中,和本体材料相比,1wt%的Al2O3氧化物包覆改性的材料具有较好的循环稳定性能和倍率性能。
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