锂离子电池正极三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2性能的研究

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具有单一α-NaFeO2层状结构的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其衍生三元正极材料具有较高的理论容量、循环稳定性与热稳定性较好等优点,是最有可能代替LiCoO2的锂离子电池正极材料之一。目前研究的三元材料中,LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(以下简称NCM523)因其较高的Ni组分,可以提高材料的比容量以及降低成本而引起人们的广泛关注。本文以正极材料LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2为研究对象,对不同粒径前驱体制备的正极材料的配锂量、煅烧条件、前驱体Ni0.5Mn0.3Co0.2(OH)2的粒径大小对材料性能的影响进行了研究。XRD精修,BET比表面积测试,粒径分布测试以及其他电化学性能测试都用于表征这些三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2理化性能以及电化学性能。以公司提供的三元材料前驱体Ni0.5Mn0.3Co0.2(OH)2和碳酸锂为原料用高温固相方法制备正极材料NCM523,当前驱体粒径为3μm、6μm以及9μm时,研究了配锂量以及煅烧温度对三元材料性能的影响。前驱体粒径为3μm,煅烧温度以及煅烧时间分别为800℃以及12 h、配锂量为Li/TM=1.10:1(TM为Co+Mn+Ni)的三元材料(简称NCM523-D3)性能最优异。XRD分析表明,材料中没有明显的杂质相,说明过量的Li元素对材料的结构没有很大的影响。pH测试表明过量的Li元素在材料的表面主要以游离碱的形式存在。Li过量10%的材料有较高的初次放电容量以及较好的循环和倍率性能,初次充放电容量为200.0/172.6 mAh g-1,在1 C,2 C,5 C以及10 C的倍率下平均放电容量分别达到了155.7,145.1,128.2以及97.5 mAh g-1。6μm和9μm粒径前驱体制备的三元材料(简称NCM523-D6,NCM523-D9)最佳合成条件也同样为800℃,配锂量为Li过量10%。通过研究分析表明,二者在前10圈循环之后平均放电容量151.68 mAh g-1和146.05 mAh g-1,100圈循环之后容量保持率分别为104.9%和102.4%。在配锂量为110%和烧结温度为800℃基础上,研究了前驱体粒径对材料性能的影响。物理以及电化学性能表明3μm粒径前驱体制备的三元材料有较好的层状结构,随着前驱体粒径的降低,材料的离子混排度也呈现降低的趋势,比表面积也从0.236 m2 g-1增加到了0.937 m2 g-1。NCM523-D3样品与NCM523-D6和-D9相比有较好的倍率性能,在1 C,2 C,5 C以及10 C的倍率下平均放电容量分别达到了155.7,145.1,128.2以及97.5 mAh g-1。尽管CV和EIS测试显示NCM523-D3在所有样品中有较大的阻抗值,但是较大的晶粒尺寸以及较大的比表面积才是影响NCM523-D3显著的容量和倍率性能的关键因素。
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