锂离子电池LiNixCoyMnzO2正极材料的成分、合成工艺和纳米铜掺杂研究

摘要

LiNixCoyMnzO2正极材料由于具有较高的比容量和较好的高温稳定性而引起了广泛关注。化学成分对LiNixCoyMnzO2的电化学性能有较大的影响，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2等是应用较广的正极材料。研究发现，Ni含量高的LiNixCoyMnzO2比容量较高，但循环性能较差;Co和Mn含量较高的LiNixCoyMnzO2则具有较好的循环性能，但比容量较差。一般工业化生产的LiNixCoyMnzO2比容量在160mAh/g左右，离其理论比容量275mAh/g仍存在差距。本文通过改进成分、合成工艺和纳米Cu掺杂等方法来提高LiNixCoyMnzO2正极材料的电化学性能。主要研究结果如下:
　　(1)在850℃反应温度下，用固相反应法烧结8h分别制备了Li0.6Ni0.2Co0.2O2、 Li0.4Ni0.2Co0.4O2和Li0.4Ni0.4Co0.2O2三种不同组分的正极材料。在0.2C倍率下，三种材料的首次放电比容量分别为152.1 mAh/g、138.7mAh/g和137.2 mAh/g，在0.2C倍率下经50次充放电循环后的容量保持率分别为47.6％、86.9％和79.5％。
　　(2)烧结温度对Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料的电化学性能有较大的影响。对烧结温度为800℃的Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料，在0.2C倍率下其比容量提升为163.9mAh/g。对烧结温度为750℃的Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料，在0.2C倍率下经50次充放电循环后其容量保持率达到71％。
　　(3)适当提升烧结过程的保温时间可提高Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料的循环性能。在800℃烧结温度下，当保温时间由8h增加至16h时，Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料在0.2C倍率下经30次充放电循环后的容量保持率由80.8％提升至83.7％。
　　(4)将反应气氛由空气变为氧气时，Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料的电化学性能没有明显变化。
　　(5)在Li0.6Ni0.2Co0.2O2正极材料中掺入少量的纳米Cu，可提高正极材料的比容量和循环性能。在烧结温度为800℃和保温时间为12h的条件下合成的Li[(Ni0.6Co0.2 Mn0.2)0.99Cu0.01] O2正极材料，其比容量达到了219.1mAh/g;在0.2C倍率下，经50次循环充放电后其容量保持率为59.1％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池正极材料介绍

1．2．1 尖晶石化合物LiM2O4

1．2．2 橄榄石化合物LiMPO4

1．2．3 硅酸盐化合物Li2MSiO4

1．2．4 氟磷酸盐化合物LiMPO4F

1．2．5 硼酸化合物LiMBO3

1．2．6 层状化合物LiMO2

1．3 LiNixCoyMnzO2正极材料的制备方法

1．3．1 固相合成法

1．3．2 共沉淀法

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．3．4 水热法

第二章 实验方法与表征

2．1 实验试剂与样品制备仪器

2．2 样品的表征方法

2．2．1 X-射线衍射仪(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 热重、差热分析仪(DSC-TGA)

2．2．4 电池测试系统

2．2．5 电化学工作站

第三章 不同组分LiNixCoyMnzO2正极材料的制备与研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 前驱体的制备

3．2．2 正极材料的制备

3．3．3 电池的装配

3．2 形貌与结构分析

3．2．1 XRD结构分析

3．2．2 SEM形貌分析

3．3 电化学性能分析

3．3．1 循环伏安曲线研究

3．3．2 交流阻抗研究

3．3．3 首次充放电和循环性能分析

3．4 本章小结

第四章 不同工艺条件对LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2材料性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 不同烧结温度对LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2材料性能的影响

4．3．1 对形貌结构的影响

4．3．2 对电化学性能的影响

4．4 保温时间对LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2材料性能的影响

4．4．1 对形貌结构的影响

4．4．2 对电化学性能的影响

4．5 反应气氛对LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2材料性能的影响

4．5．1 对形貌结构的影响

4．5．2 对电化学性能的影响

4．6 本章小结

第五章 纳米铜掺杂对LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2性能的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 对形貌结构的影响

5．4 对电化学性能的影响

5．4．1 交流阻抗图谱和循环伏安曲线分析

5．4．2 首次充放电性能和循环性能分析

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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