富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2的制备及改性研究

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为了满足当代电子元器件、电动汽车、智能电网的发展对高能量、高功率电池的需求,高比能量正极材料近年来成为了锂离子电池领域研究的热点。由于富锂锰基正极材料具有高的放电比容量和较高的工作电压以及低成本、绿色环保的优点,其作为传统的LiCoO2正极潜在的替代材料,受到越来越多的关注。然而其本身结构复杂,且存在首次不可逆容量较高、倍率性能较差等缺点,因而材料的制备和改性研究显得尤为重要。本文采用了碳酸盐共沉淀法制备了富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2,并对其进行了包覆改性研究。具体内容如下:(1)利用碳酸盐共沉淀结合高温固相合成的方法制备富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2。着重考察了溶液pH值对共沉淀前驱体形貌和结构的影响,得出合成反应最佳pH值为7.8。对固相合成过程中的煅烧温度、烧结时间以及锂配比量等方面对材料的形貌结构和电化学性能的影响作了探讨。得出烧结温度为900°C,烧结12h,锂过量5%时制备得到的材料具有最好的电化学性能。(2)采用不同含量的非电化学活性的Al2O3对Li1.2Ni0.2Mn0.6O2进行表面包覆。Al2O3包覆后的材料保持了原先良好的层状结构,Al2O3在正极材料颗粒表面均匀包覆,包覆层与基体结合紧密。电化学测试表明1.5wt.%的Al2O3包覆显示出最高的首次充放电效率、最好的循环性能以及倍率性能。0.1C首次放电比容量从包覆前的232.5mAh g-1,提高到266.8mAh g-1,30圈容量保持率达到86.8%,5C下放电比容量提高了113.4%。(3)利用液相法对Li1.2Ni0.2Mn0.6O2进行了镍锰复合氧化物Ni0.5Mn1.5Ox包覆改性,并与纯相Li1.2Ni0.2Mn0.6O2以及等量尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4物理共混的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2材料进行了对比研究。成功的制备出了Li1.2Ni0.2Mn0.6O2-Li1-yNi0.5Mn1.5Ox层状富锂锰基高容量正极与尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4高压稳定正极的核壳复合结构正极材料。改性材料在2.05.0V的宽电压窗口范围内0.1C下的放电比容量从包覆前的241.3mAh g-1提高到256.8mAh g-1,50次循环后容量保持率达到94%,并显示出优良的倍率性能,特别是在5C下,其放电比容量相对纯相试样提高了1.6倍。电化学性能远高于纯相的和尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4物理共混的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料。
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