锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成工艺与改性研究

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LiCoxNiyMn1-x-yO2系列正极材料因其具有相对较高的比容量、低成本和对环境无害等优点而受到研究者的广泛关注,其中LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(简称NCM 523)正极材料被认为是目前最有发展前途的材料之一。本文采用共沉淀法制备了 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料,研究了共沉淀过程中搅拌速度、不同锂含量以及Al3+离子掺杂对样品微结构和电化学性能的影响。以XRD、SEM等表征了样品的微结构。采用循环伏安、电化学阻抗谱等测试方法对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料的电化学性能进行了研究,得到以下主要实验结果:(1)XRD测试结果显示,以共沉淀法在搅拌速度分别为500、600、700和800 r/min下合成前驱体,再经850℃焙烧所制得的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料均具有良好的α-NaFeO2型结构,无杂相生成。搅拌速度为600r/min所制备样品的阳离子的混排程度最小。SEM测试结果显示,搅拌速度为600 r/min所制备的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2样品颗粒生长均匀,具有较好的结构和形貌特征。CV阻抗测试和恒流充放电测试结果表明,搅拌速度为600 r/min制备的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料首次充电比容量和放电比容量较高,分别为185.8 mAh/g和165.6 mAh/g。因此,前驱体的搅拌速度为600 r/min、焙烧温度为850℃时所制备的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料具有较好的电化学性能。(2)测试不同锂含量的Lix(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2三元正极材料(x分别为1.00、1.05、1.10、1.15)的 XRD 发现,不同锂含量的 Lix(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2均表现出较好的层状结构,即锂含量没有改变LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的层状结构,其中Li1.1Ni0.5Co0.2Mn0.3O2三元正极材料拥有完好层状结构且其阳离子混排程度较低。在2.8V~4.4V的电压区间,0.5C下,对Lix(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2三元正极材料进行电化学性能测试,结果表明,随着锂含量的增加,Lix(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2的首次放电比容量先升后降,以1.1Li过量百分比为正极材料封装的电池其首次放电比容量较高,达到168.2 mAh/g。在2.8V~4.4V的电压区间,0.5C下,测试了四种不同锂含量的Lix(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2(x 分别为 1.00、1.05、1.10、1.15)三元正极材料经 50次循环后的放电比容量和容量保持率。结果表明,其放电比容量分别为:106.8mAh·g-1、113.4mAh·g-1、124.2mAh·g-1、102.4mAh·g-1;其容量保持率分别为:67.85%、72.97%、73.84%、67.37%。可见,以 1.1Li 过量百分比为正极材料封装的电池经50次循环后其放电比容量和容量保持率较高。(3)测试不同Al3+掺杂的Li[(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1-xAl——x]O2正极材料(x=0,0.01,0.02,0.03)的XRD发现,c/a值不因Al3+掺杂量而变化,且所有样品的c/a值均大于4.96。即Li[(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1-xAl)x]O2正极材料仍然具备较好的层状结构,其阳离子混排程度较低。从不同Al3+掺杂的Li[(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1-xAlx]O2的SEM图可以看出,随着铝离子掺杂量的增加,材料的粒径随之减小,晶粒比较均匀。对Li[(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1-xAlx]O2正极材料的电化学性能测试结果显示,随着Al3+离子含量的增加,Li[(Ni0.5Co0.2Mn0.3)1-xAlx]O2的首次放电比容量先升后降,x=0.02的正极材料的电化学性能较好,其首次放电比容量达到了174.1mAh·g-1,在0.2C倍率下,经50次循环后其放电容量保持率为88.1%。
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