三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的制备及其改性研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lucas_f
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正极材料是锂离子电池(LIBs)中的关键组成部分,而高镍三元层状材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由于具有高量密度高、循环性能好、成本低、环境污染小(钴量少)等优点,被认为是一种具有良好应用前景的LIBs正极材料。但这种材料容易在高压情况下结构失稳,导致电池的容量的急速衰减。因此寻找合适的方法改性三元材料,稳定其结构,提高组装电池的循环稳定性是当务之急。本论文通过共沉淀法制备LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2前驱体先配锂然后高温煅烧,控制反应参数探究最优的合成条件,在材料表面包覆Li2TiO3和CaF2等不同的材料,并探究不同包覆量对材料稳定性以及电池性能的影响。本文的主要实验内容和结论如下:1、通过共沉淀法制备前驱体LiNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2,分别研究共沉淀反应过程中溶液pH值、络合剂氨水浓度以及焙烧温度对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的结构、形貌和电化学性能的影响,确定最佳合成条件。XRD和SEM结果表明:pH值为11、氨水浓度为1.0 mol/L、锂过量5%、煅烧温度为800℃时制备所得的样品具有最好的α-NaFeO2层状结构和球形或类球形形貌,电化学性能测试表明上述综合条件下的样品电化学性能最优,0.1 C倍率(室温25℃)下首次放电容量可达179.9m Ah/g,100圈循环后容量保持率为75.6%。2、采用乙醇超声分散和湿法研磨在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料表面成功附着TiO2和Li2CO3,然后高温煅烧合成了Li2TiO3包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2样品(记为Li2TiO3@LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)。XRD结果显示不同Li2TiO3包覆对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的微观结构未造成影响。TEM图显示,纯相材料颗粒表面有一层较为透明的包覆层。经过电化学性能测试可以发现0.5%Li2TiO3@LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2具有较高的首次放电容量(185.9 m Ah/g、0.1 C)、较高的首次库伦效率(84.1%)、较好的循环性能(85.3%、100次循环)和倍率性能。CV和EIS测试的结果分析进一步表明,包覆改善了LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在充放电过程中的电化学性能。Li2TiO3不仅能提高锂离子的电导率,同时还能提高材料结构的稳定性,进而有利于提高材料的电化学性能。有效减轻了电解液对电极材料的侵蚀,抑制正极材料表面不良反应的发生,材料拥有更高的离子迁移能力和电子传递能力,提高了高镍三元材料的循环性能。3、采用液相法,将硝酸钙和氟化铵溶解在乙醇溶液中,通过不断搅拌生成氟化钙(CaF2),经过高温煅烧可以合成CaF2包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2样品(记为CaF2@LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2),文中用乙醇取代水溶液,避免引入新的杂质对材料产生影响。XRD结果显示不同CaF2包覆对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的晶体结构并未造成影响。经过电化学性能测试可以发现2.0%CaF2@LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2具有较高的首次放电容量(195.5 m Ah/g、0.1 C)、较高的首次库伦效率(85.7%)、较好的循环性能(75.3%、100次循环)和倍率性能。
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