富锂锰基正极材料Li[Li0.20Ni0.15Mn0.55Co0.10]O2的合成和性能研究

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锂离子电池(LIBs)在商业化电池中表现出较高的能量密度,并且已经得到了广泛应用。然而,正极材料(<250 mAh g-1)和负极材料(1000 mAh g-1)的容量不平衡严重限制了整个电池的容量。最近,富锂层状氧化物(LLOs)Li[LixM1-x]O2(M=Ni,Co,Mn,Ni1/2Mn1/2……),也表示为xLi2MnO3·((1-x)LiMO2,由于其优异的理论放电容量、高工作电位、高能量密度(1000 Wh kg-1)、低成本和环境友好性,引起了很多关注。然而,富锂锰基三元正极材料在首次循环中也存在容量衰减、电压下降、倍率能力差和初始库仑效率低等缺点,极大地阻碍了它们的大规模应用。为了解决这些缺点,已经提出了几种方法,例如调节样品组成、改变合成策略以及进行合理的改性。本论文的主要研究内容及结论如下:(1)通过溶剂热法和溶胶凝胶法分别合成了锂电池用富锂锰基三元正极材料Li[Li0.20Ni0.15Mn0.55Co0.10]O2,确定了合适的合成体系。结果显示,溶胶凝胶法制备的样品具有较高的初始放电容量,较好的循环稳定性和倍率性能以及较低的阻抗和较大的扩散系数。然后,通过控制溶胶凝胶合成方法中的各种合成条件进一步改善了材料的性能。结果表明烧结温度为850℃、螯合剂为K23-26的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)且金属离子与pvp的摩尔比为1.5时得到的样品的性能较好。(2)对(1)中获得的原始材料的表面进行了碳化还原改性。在材料表面引入尖晶石相后,由于新生成的尖晶石的3D扩散通道和表面保护作用,有效地改善了材料的初始放电容量、倍率性能并显示出卓越的循环稳定性。在0.1C下获得88.7%的高初始库仑效率,并且在0.5C和1C下经过100次循环后仍分别有239.37 mAhg-1和235.87 mAhg-1的高比容量。(3)对(1)中获得的原始材料表面包覆了Al2O3并控制不同的包覆量,探讨了该方法对材料的形貌和电化学性能的影响。结果显示,包覆量为2%时的样品表现出了较高的放电容量和较好的循环稳定性。
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