锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的制备及其性能研究

摘要

LiCoXMnYNi1-X-YO2电极材料是当前锂离子电池新一代正极材料的研究热点之一。本文采用TG-DTA(Thermogravimetry-Differential thermal analysis，热重-差热分析法)、XRD(X-ray radial diffraction，X射线衍射分析)、XPS(X-ray photoelectron spectroscopy，X射线光电子能谱)、SEM(Scanning electron microscope，扫描电子显微镜观察)、循环伏安(Cyclic Voltammetry，CV)、充放电试验、电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy，EIS)等测试手段，从合成方法、结构特征、电化学性能等方面对材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2进行了研究。
　　通过对溶胶凝胶阶段、干凝胶预烧阶段和固相烧结阶段的各种影响因素的分析和优化，建立了以柠檬酸为络合剂的溶胶凝胶法合成LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2电极材料的方法。XRD、XPS、SEM测试结果分别表明：材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2具有与LiNiO2类似的层状结构，但与LiNiO2相比其离子排列有序度更高，层状结构更为明显；在材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2中Co，Mn分别以+3，+4价形式存在，Ni以+2，+3价形式存在，且Ni2+与Ni3+的含量之比约为1:1；材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2结晶性好，粒径分布窄，平均粒径为0.5μm左右。
　　循环伏安测试结果表明：在2.8～4.8V范围内，LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2体系中存在两对氧化还原峰：3.998V/3.613V和4.458V/4.248V，其中Co4+/Co3+峰位的正移有效的提高了材料的安全性和循环稳定性；Mn在LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2中是非活性的，为材料提供了稳定的基体。充放电测试结果表明：材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的充放电平台不明显；在0.2C，2.95～4.75V和2.95～4.35V条件下其首次放电容量分别达到了202.78mAh·g-1和179.23mAh·g-1，50次循环后容量保持率分别达到80.7％和80.5%，电池的充电截止电压由4.35V提高到4.75V，材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的循环性能依然保持良好而且可逆放电容量提升了约15%；电化学阻抗谱测试结果表明：锂离子从电解液内部迁移到电解液与正极材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2界面的过程受充电截止电压的影响很小；材料LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2的界面双电层受充电截止电压的影响较小。

目录

锂离子电池正极材料LiNi0. 5Co0.25Mn0.25O2的制备及其性能研究

Synthesis and characteristics of

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 锂离子二次电池的原理与特征

1.2.1 锂离子电池的发展

1.2.2 锂离子二次电池工作原理

1.2.3 商品锂离子二次电池的特征

1.3 锂离子电池的电解液

1.4 锂离子电池负极材料研究现状

1.4.1 碳素材料

1.4.2 非碳材料

1.4.3 纳米负极材料

1.5 锂离子电池正极材料研究现状

1.5.1 LiCoO2 的研究现状

1.5.2 LiNiO2 的研究现状

1.5.3 Li-Mn-O 体系的研究现状

1.5.4 LiFePO4 的研究现状

1.5.5 Li-V-O 体系的研究现状

1.5.6 LiNi1/2Mn1/2O2 的研究现状

1.5.7 LiCoXMnYNi1-X-YO2 的研究现状

1.6 课题研究的可行性及研究的目的意义

1.7 课题研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验材料与设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器

2.2 正极材料的制备

2.2.1 制备方法的确定

2.2.2 Sol-gel 法工艺参数优化

2.3 材料的性能与结构表征

2.3.1 TGA-DTA 测试

2.3.2 SEM 观察

2.3.3 XRD 分析

2.3.4 XPS 表

2.4 扣式模拟电池的组装与测试

2.4.1 电池的组装

2.4.2 电化学性能测试

第3章 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 的制备

3.1 引言

3.2 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 制备方法的确定

3.2.1 不同方法制备LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 的电化学性能比较

3.2.2 不同方法制备LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 的SEM 观察

3.3 Sol-gel 法制备LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2

3.3.1 溶胶凝胶阶段的工艺参数优化

3.3.2 凝胶预处理阶段的工艺参数优化

3.3.3 高温煅烧阶段的工艺参数优化

3.4 本章小结

第4章 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 的结构研究

4.1 XRD 表征

4.2 XPS 测试

4.2.1 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 中Co 价态的确定

4.2.2 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 中Mn 价态的确定

4.2.3 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 中Ni 价态的确定

4.2.4 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 中O 的价态的确定

4.3 SEM 观察

4.4 本章小结

第5章 LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2 的电化学性能研究

5.1 循环伏安测试

5.2 充放电测试

5.3 电化学阻抗谱测试

5.3.1 等效电路的选择

5.3.2 不同充电截止电压下的电化学阻抗谱图

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢

个人简历