由于缺乏资源和环境污染造成的各种社会问题,锂离子电池作为清洁能源的高效储能装置受到了前所未有的关注。镍钴铝酸锂LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)作为高镍三元材料,因其高的比容量(最高可达200mAhg-1以上)、低廉的价格和良好的循环稳定性,被认为是最有希望的新一代动力电池正极材料。但镍钴铝酸锂的倍率性能欠佳,限制了其实际应用。不同微纳结构的镍钴铝酸锂具有差异化的电化学性能,有望改善其倍率特性。本论文探究了三种不同方法合成的具有不同微纳结构的镍钴铝酸锂,讨论了不同微纳结构镍钴铝酸锂的最佳合成工艺,并对其进行表征和测试,获得了性能优异的镍钴铝酸锂三元锂离子电池正极材料。本论文研究内容如下:(1)通过一步法,分别以镍、钴和铝的氧化物作为原料,采用球磨法将锂源与镍钴铝的氧化物充分混合均匀,然后经过高温固相法合成镍钴铝酸锂微粒。采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)对固相法合成的镍钴铝酸锂微粒的微观形貌和晶体结构进行表征,并对其进行电化学性能的测试。实验探究不同的球磨时间、煅烧温度和煅烧时间对镍钴铝酸锂微粒的微观形貌、晶体结构和电化学性能的影响,获得具有最佳电化学性能的镍钴铝酸锂微粒,并记录其对应的合成条件。结果表明,具有最佳电化学性能的镍钴铝酸锂微粒正极材料为粒径大小约1.5 μm的实心颗粒。在0.1 C的低电流密度下,放电比容量达183.6 mAh g-1,在最高的电流密度下(5 C),比容量保持在90.7 mAh g-1,而在1 C的电流密度下初始比容量达143.9 mAh g-1且80圈循环后容量保有率为78.7%。(1 C=170 mA g-1)(2)相关研究表明,锂离子电池正极材料颗粒的粒径对其电化学性能具有较大影响,而水热法作为合成无机晶体的重要手段,其合成的物质具有粒径大小均匀、分散性优良等的优点。为了降低镍钴铝酸锂的微观尺度,分别以镍盐、钴盐和铝盐作原料,采用水热法合成镍钴铝酸锂的前躯体,再与锂源高温煅烧合成镍钴铝酸锂纳米颗粒。分别采用SEM和TEM、X射线光电子能谱仪(XPS)对水热法合成的镍钴铝酸锂纳米颗粒的微观形貌和晶体结构进行表征,并对其进行电化学性能的测试。实验探究了不同的前躯体反应浓度、煅烧温度和锻烧时间对镍钴铝酸锂纳米颗粒的微观形貌、晶体结构和电化学性能的影响,获得了具有最佳电化学性能镍钴铝酸锂纳米颗粒及其合成条件。研究结果显示,最佳电化学性能的镍钴铝酸锂纳米颗粒正极材料为400 nm粒径大小的实心颗粒。在0.1 C低电流密度下,放电比容量达198.8 mAhg-1,在最高的电流密度下(5 C),比容量仍可达102.3 mAhg-1,而在1 C电流密度下初始比容量达153.6 mAh g-1且80圈循环后容量保有率为81.7%。(3)在水热法合成镍钴铝酸锂纳米颗粒的基础上,引入二氧化硅空心球硬模板,合成中空结构镍钴铝酸锂。首先合成介孔二氧化硅空心球(SiO2HSs)。其次,以镍盐、钴盐和铝盐作原料,通过水热法合成出空心结构的镍钴铝酸锂的前躯体,空心二氧化硅作为前躯体生长位点,合成镍钴铝酸锂前躯体包覆二氧化硅空心球[SiO2 HSs@(Ni0.8Co00.1Al0.05)CO3],最后,上述前驱体与锂源一并高温煅烧合成中空结构镍钴铝酸锂。分别采用SEM和TEM、XRD、XPS、电感耦合等离子射线(ICP)等对中空结构镍钴铝酸锂的微观形貌和晶体结构进行表征,并对其进行电化学性能的测试。结果表明,中空结构镍钴铝酸锂正极材料为由纳米颗粒作为一次粒子组成的空心球,粒径大小约1.8 μm,壁厚约300 nm。与固相法合成的镍钴铝酸锂微粒和水热法合成的镍钴铝酸锂纳米颗粒的电化学性能进行比较,结果显示,中空结构镍钴铝酸锂作为锂离子电池正极材料表现出非常优异的容量性能和倍率性能,在0.1 C的电流密度下,放电比容量高达202.4 mAh g-1,且随着电流密度的增大,比容量下降幅度很小,一直到2 C仍具有接近170 mAh g-1的比容量。但是,在最高电流密度(5 C)下,比容量突然降低到140 mAhg-1以下,这可能是由于球形结构在高电流密度下部分破碎和崩塌所致。1 C电流密度下,初始比容量达179.1 mAh g-1且80圈循环后容量保有率为82.1%。进一步探究了中空结构磷酸铁锂的电化学性能,研究结果显示中空结构对锂离子电池正极材料性能的提升作用。