锂离子电池正极复合材料Li(NiMn)(1-x)/2CoxO2的制备及电化学性能的研究

摘要

目前,锂离子电池正极材料中应用最广泛的是LiCoO2正极材料,由于Co原材料价格昂贵以及呈毒性,因此人们不断寻找代替钴系列的正极材料。镍、锰复合正极材料资源丰富、无毒,性能优于 LiNiO2和 LiMnO2材料,成为正极材料的一个重点研究对象,所以本文从成本控制和环境友好的角度出发减少Co元素的使用,选择材料来源广泛的正极材料LiNi0.5Mn0.5O2作为研究的主要内容。
　　本论文以两元正极材料LiNi0.5Mn0.5O2为研究基础,采用共沉淀法和一次烧结的方式,运用TG-DTA、激光粒度分析、XRD和充放电测试等分析测试方法,探讨了沉淀剂添加方式、溶液pH值、冷却方式、加锂量、烧结时间和烧结温度对正极材料粒度分布、晶体结构和电化学性能的影响。差热热重分析结果表明800℃以后碳酸锂和前驱体混合物的质量不再发生变化,说明在800℃时目标产物LiNi0.5Mn0.5O2晶体开始形成。XRD结果表明制备的目标正极材料具有α-NaFeO2型层状结构,800℃时,表征目标正极材料层状结构中阳离子有序度的衍射峰强度I(003)/I(104)的比值为1.382,而850℃和900℃时I(003)/I(104)的比值分别为1.741和1.662,说明在850℃和900℃时目标正极材料具有更高的阳离子有序度。电化学性能测试结果表明,采用并滴方式添加沉淀剂制备出的正极材料具有最好的电化学性能,在该制备过程中,控制反应体系pH值为11、Li/M=1.1:1、一次烧结温度为900℃、烧结时间为10h、冷却方式为自然冷却。在充放电电流为0.15C,充放电电压范围为2.5-4.5V时,制备的正极材料首周放电比容量为148.00 mAh/g,材料循环30周后放电比容量有149.00mAh/g,容量保持率为100.68％。
　　在最优化的工艺条件下,研究了Li(NiMn)(1-x)/2CoxO2正极材料在不同 x值(x=0.1、0.2、1/3、0.4)时的电化学性能。其中当x=0.2时,在2.5-4.5V、以0.15C的电流进行充放电测试,制备的正极材料LiNi0.4 Co0.2Mn0.4O2具有最好的电化学性能,第三十周的放电比容量为最高值154.2 mAh/g。