锂离子电池高镍层状正极材料的制备、表征及改性研究

来源 :济南大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zhangliye5
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LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)凭借其较高的能量密度优势在锂离子动力电池领域备受关注。但是在其广泛应用之前,仍需要解决一些关键性问题。首先,镍含量的增加对其制备条件提出了更苛刻的要求;其次,严重的容量衰减和较低的热稳定性,对锂离子电池的循环稳定性和安全性造成严峻考验;此外,较高的空气敏感性造成NCM811材料的表面降解,进一步限制了NCM811的商业应用。综合以上因素,本文主要通过优化NCM811材料制备工艺参数和表面包覆改性,有目的改善NCM811的储锂性能、循环稳定性和热稳定性,并提高其空气存储稳定性。具体研究内容和结果如下:(1)优化NCM811材料的制备工艺参数。主要通过优化煅烧工艺参数,调控阳离子混排度和初级颗粒的尺寸,进而改善NCM811的电化学性能。系统研究了煅烧温度对材料结晶度、阳离子混排度以及初级颗粒尺寸的影响规律。物化性能及化学性能测试结果表明:在优化工艺下获得的NCM811材料结晶度适中,阳离子混排度为3.66%,初级颗粒尺寸在100-300 nm之间。该材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能,在大电流密度10.0 C下,其放电比容量可达136.9 mAh g-1。(2)对NCM811进行表面包覆改性研究。提出了一种有效的表面改性策略,原位制备锂离子快离子导体Li3PO4包覆NCM811材料,系统的研究了Li3PO4纳米涂层对NCM811电化学稳定性的影响。Li3PO4作为物理涂覆层,不仅缓解了电解液中HF对电极材料的腐蚀,降低了晶间裂纹的生长速度,而且在适当的涂层含量下保持快离子导体的特性。在-10-50 oC环境范围内,Li3PO4包覆后的NCM811材料在储锂方面、容量保持率和倍率充放电方面产生了卓越的电化学性能。更有竞争力的是,与C-Si复合负极材料结合后,组装成的锂离子软包全电池,可以提供约304.6 Wh kg-1的实际能量密度,并且在1.0 C的电流密度下循环250圈,可逆充放电比容量仍保有89.6%。(3)对Li3PO4包覆后的NCM811进行空气的敏感性研究。通过对Li3PO4包覆前后的NCM811进行高温高湿度环境保存,测试结果显示,在材料表面会生成Li2CO3杂质,并且杂质量会随着存储时间的延长而增加。电化学数据测试表明,Li2CO3杂质的生成会引入能量壁垒,导致部分正极材料失去活性,但这些能量壁垒不是固定的,可以通过充放电循环重新恢复活性。此外,Li3PO4涂层的存在有效阻隔了电极材料与空气中H2O和CO2的接触,减缓了Li2CO3杂质的生长速度,显著改善了材料的可加工性能。
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