锂离子电池三元材料的制备与性能研究

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本文针对锂离子电池三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电子电导率低,倍率性能差和高电压下循环性能差的缺点,通过与LiMn0.8Fe0.2PO4复合及聚苯胺(PANI)原位包覆来改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能并探究材料电化学性能提升的机理。采用共沉淀法制备三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,通过对前驱体制备工艺进行优化,得到最优工艺条件为搅拌速度300 r/min,陈化时间6 h,配锂量1.07,前驱体压片压力10 MPa;在此基础上优化正极片的制备工艺,当PVDF浓度3 wt%,匀浆速率5000 r/min时,材料表现出良好的电化学性能。分别通过球磨和在共沉淀反应中将LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2与LiMn0.8Fe0.2PO4进行复合得到LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2-LiMn0.8Fe0.2PO4(NCM-LMFP)复合材料并对其进行表征和测试。结果表明,在共沉淀反应中加入LiMn0.8Fe0.2PO4所制备出的NCM-LMFP复合材料的电化学性能更好。加入LiMn0.8Fe0.2PO4一方面可使LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料颗粒粒径减小,比表面积增大,活性位点增多,活性材料可以被充分利用,电极反应可逆性增强,材料首次库伦效率提高;另一方面可使锂离子扩散路径缩短,有利于快速充放电时锂离子嵌脱,材料倍率性能提高。当LiMn0.8Fe0.2PO4添加量为10 wt%时,NCM-LMFP复合材料在0.2、1、5和10 C倍率下的首次放电比容量分别为200.5,192.0,137.1和96.9 m Ah·g-1,与未添加相比分别提高了9.4%,10.7%,14.7%和5.6%,且首次库伦效率分别从79.4%,79.0%,60.8%和47.7%上升至83.0%,83.5%,64.1%和49.5%。复合材料在5 C下循环50次后的保持率为82.4%。聚苯胺为导电聚合物,采用原位聚合方法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2@PANI(NCM@PANI)复合正极材料。将PANI包覆于LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2颗粒表面有利于提高材料的电子电导率并减小LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2颗粒表面的残碱量;PANI作为包覆层减弱了活性物质与电解液之间的副反应,使过渡金属离子的溶解减少,稳定了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的层状结构,材料电化学性能得以提升。测试结果表明,当PANI包覆量为10 wt%时,材料的电化学性能最好,NCM@PANI-10样品在0.2 C倍率下的放电比容量为212.5 m Ah·g-1,与未包覆的NCM相比提高了21.8%;材料的循环稳定性有了明显提升,在5 C倍率下循环50次后的容量保持率为95.9%;电荷转移电阻由208.50?降低至64.84?,电子电导率有了明显提高。
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