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锂离子电池由于具有较高工作电压和能量密度,无记忆效应,长循环寿命,环境友好等优势,在电动汽车和混合动力汽车领域应用极具有潜力。锂离子电池正极材料性能好坏直接影响锂离子电池性能好坏,因此,锂离子电池正极材料是离子电池关键材料。层状富锂材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2具有较高理论比容量,超过250 mAh g-1,能够满足动力型锂离子电池能量密度要求,而受人们广泛关注。但在实际应用过程中,层状富锂材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2仍然存在许多不足,比如较低库伦效率,较差倍率性能,较差循环性能和循环过程中结构转变导致电压衰减。许多研究者通过颗粒纳米化,金属离子掺杂,表面改性等手段解决这些不足,从而提高其电化学性能。本文在详细总结各种锂离子电池正极材料发展和研究基础上,采用溶胶凝胶法和共沉淀法合成Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料,研究颗粒纳米化,氟掺杂碳纳米改性,钆掺杂二氧化铈表面纳米改性和磷酸铁锂表面纳米改性对材料微观结构,物相结构和电化学性能的影响。添加不同有机酸作为络合剂(柠檬酸(CA),酒石酸(TA),复合酸(C&T)和复合酸(T&C))采用溶胶凝胶法制备层状富锂材料(Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2),采用XRD,SEM,TEM,FTIR及其恒流恒压充放电测试技术,CV测试技术,EIS测试技术对材料进行表征和测试,结果表明添加复合有机酸作为添加剂具有很强空间位阻效应,能够有效控制颗粒生长。Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料在0.1 C和5 C倍率下放电比容量分别为263.1 mAh g-1和187.9 mAh g-1。但在0.5 C倍率下进行充放电100次,容量保持率只有71.2%,表现出较差循环性能。由于檬酸(CA)与酒石酸(TA)的分子结构和摩尔质量不同,当摩尔质量较大的柠檬酸与反应物混合后发生作用,由于柠檬酸之间不能彼此靠近,形成空隙,而酒石酸可以填充到空隙里,增强空间为效应,从而有控制颗粒生长,提高材料倍率性能。由于颗粒纳米化只能改善材料倍率性能,本章希望通过氟掺杂碳对由溶胶凝胶法合成的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料进行改性,采用XRD,SEM,TEM,拉曼光谱和XPS及其恒流恒压充放电测试技术,CV测试技术,EIS测试技术对材料进行表征和测试,结果表明氟掺杂碳纳米改性能够有效改善材料倍率性能和循环性能。所得到的F掺杂炭纳米改性Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料在在0.1 C和10 C倍率下放比容量为284.5 mAh g-1和79.3 mAh g-1,在5 C倍率下经过循环500次后,仍然能够获得106.1 mAh g-1的放电比容量,容量保持率达到80.2%。氟掺杂碳存在于颗粒表面和颗粒之间,能够提高颗粒表面与颗粒之间的电子电导率。此外,氟掺杂碳使得碳处于富电子状态,电子云偏向本体材料并且发生电子云耦合,增加材料电子导电性,并且增加碳与Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2本体材料之间结合力,有效抑制电极材料与有机电解液之间由于直接接触导致的副反应的发生。颗粒纳米化单纯提高材料倍率性能,而氟掺杂碳改性只能提高倍率性能和循环性能,本章希望通过钆掺杂二氧化铈对由共沉淀法合成Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料进行表面纳米改性,采用XRD,SEM,TEM,XPS及其恒流恒压充放电测试技术,CV测试技术,EIS技术对材料进行表征和测试,结果表明钆掺杂二氧化铈表面纳米改性能够改善材料的首次库伦效率,倍率性能和循环稳定性。LMNCO-GDC3材料的首次库伦效率达到85.3%;在0.5 C和1 C倍率下放电比容量分别为267.5 mAh g-1和158 mAh g-1;在0.1 C倍率下经过循环100次后容量保持率由75.3%增加到92.9%,在1 C倍率下经过循环200次后仍然可以获得135 mAh g-1的放电比容量,容量保持率达到89.3%。钆掺杂二氧化铈均匀包覆在颗粒表面,包覆层存在大量氧空位,并且在烧结过程中抑制材料表面氧空位消失,为锂离子和电子传输提供活性位点。包覆层还具有氧储存能力,能够抑制材料在首次充电过程中氧空位和Mn4+减少。此外,钆掺杂二氧化铈(GDC)包覆层还可以抑制电极材料与电解液之间副反应的发生,阻碍电化学惰性物质LiF和Li2CO3的形成并且附着在颗粒表面,同时循环过程中能够缓冲材料体积变化和防止材料颗粒结构坍塌。为能够抑制Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2在循环过程中电压衰减,本章希望通过磷酸铁锂对由溶胶凝胶法合成的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料进行表面纳米改性,采用XRD,SEM,TEM,XPS及其恒流恒压充放电测试技术,CV测试技术,EIS测试技术对材料进行表征和测试,结果表明磷酸铁锂表面纳米改性能够提高材料的首次库伦效率,倍率性能,循环性能和抑制循环过程中电压衰减。5%磷酸铁锂包覆Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的首次库伦效率得到很大提高,分别由74.5%增加到81%;在0.1 C和5 C倍率下放比容量为282.8 mAh g-1和125.3 mAh g-1。在0.5 C和2 C倍率下经过循环120次后的容量能够达到249.8 mAh g-1和139.9 mAh g-1,容量保持率达到92.5%和83.6%,并且能够有效抑制电压衰减。具有良好锂离子传输和电子电导率的磷酸铁锂均匀包覆在颗粒表面,并且在高温过程中一定量Fe2+/Fe3+和PO43-扩散到本体材料次表面形成过渡层。Fe占据层状结构中过渡金属层中Li位,PO43-阴离子占据立方堆积氧位,这样有利于锂离子和电子传输以及保持材料结构稳定,抑制循环过程中材料由层状结构往尖晶石结构转变。PO43-阴离子占据立方堆积氧位能够抑制在首次充电过程中氧空位消失。此外,磷酸铁锂包覆层还抑制电极材料与电解液之间直接接触导致副反应的发生。