锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备及软包装电池的设计

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锂离子电池是在一次锂电池基础上发展起来的新型高能绿色二次电池,具有高电压、高容量、长循环寿命以及良好的的安全性能等优点,已成为当今世界应用最广泛和最具发展前景的电池之一。层状正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2综合了LiCoO2、LiNiO2与LiMnO2三者的优点,具有比容量高、成本低、绿色环保等优势,被认为是有望取代LiCoO2的新一代锂离子电池正极材料。然而由于Li+、Ni2+的半径相近,导致该材料形成晶体时会发生不同程度的Li-Ni阳离子混排现象,这对Li+的传输以及晶体结构的稳定产生了很大的负面影响。本文首先分别采用静电纺丝法与溶胶凝胶法合成了颗粒均匀的纳米级LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料,并进行电化学性能方面的比较;为了降低材料的阳离子混排程度,本文还采用静电纺丝法合成了Na、Al离子共掺杂的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,综合运用XRD、SEM等多种表征手段对所合成材料的形貌结构进行分析比较,并通过相关电化学测试方法系统研究了材料的电池性能;最后采用软包装电池工艺,探究了商业LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料在水系粘结剂条件下的循环性能、倍率性能以及高低温性能等。主要研究结果如下:(1)两种方法合成的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2颗粒尺寸在50~20Onm之间,颗粒分散均匀,几乎无团聚,结晶度高,其中静电纺丝法制备的材料拥有更优异的电池性能以及更低的交流阻抗,0.2 C循环100次后比容量稳定在120mAhg-1以上。(2)掺杂适量Na、A1离子制备的Li0.97Na0.03Ni1/3Co1/3-0.05Al0.05Mn1/3O2材料拥有更低的阳离子混排程度、更小的电极极化及交流阻抗,掺杂后首次放电容量从1778mAhg-1提升到213.8 mAhg-1,20次循环后容量从132.2 mA hg-1提升至153.7mAhg-1,50次循环后容量从126.2 mA h g-1提升至1357 mA h g-1。(3)采用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2为正极,石墨为负极,设计组装了的软包装锂离子电池,正、负极均采用绿色环保的水系粘结剂LA133,电池首次放电容量为3432 mA h,库伦效率83.6%,5 C高倍率放电比容量为245.0 mA h,电池在55℃和-2℃环境中,1C倍率放电容量分别为290.0mAh和184mA h,相比较于20℃,容量保持率分别为103.1%和65.4%,电池未发生任何漏液、变形等事故,具有优异的高倍率放电性能、循环寿命以及高低温放电性能。
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