高容量镍基正极材料LiNi0.9Mn0.1O2的合成及改性研究

摘要

镍基正极材料以其高可逆比容量，低成本的优势成为了新一代锂离子电池主要的候选材料。但是，镍基正极材料在循环过程中存在循环寿命差，安全性能低等问题，阻碍其进一步的发展与应用。本文采用共沉淀-高温固相法制备出 Ni-Mn固溶的LiNi0.9Mn0.1O2正极材料，并对材料进行优化合成工艺、掺杂改性，提高其电化学性能。结合X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析、ICP-OES、电化学性能测试分析对LiNi0.9Mn0.1O2材料性能进行表征。
　　本研究主要内容包括：⑴采用共沉淀-高温固相法制备LiNi0.9Mn0.1O2正极材料，研究结果表明：在Li/(Ni+Mn)配量=1.11，780℃纯氧气氛下，烧结12 h合成的正极材料晶型完整，电化学性能最好，在25℃，2.75~4.2 V、0.2 C倍率下，LiNi0.9Mn0.1O2材料首次放电比容量达到180.8 mAh/ g，循环50次后，容量保持率为80.36%。⑵通过Co掺杂，制备出LiNi0.9-xCoxMn0.1O2（x=0，0.04，0.07，0.1）正极材料。XRD测试显示，Co掺杂没有改变原始材料的层状结构，同时还可以降低阳离子混排程度，改善其循环性能。在室温25℃，2.75~4.35 V，LiNi0.83Co0.07Mn0.1O2材料的首次放电比容量高达205.4 mAh/ g，100次循环后容量保持率为77.07%，材料的倍率性能也非常理想，5 C倍率下，容量仍有139 mAh/ g。材料的低温性能也得到了较大改善，在-20℃下，放电比容量为159.48 mAh/ g，低温效率为75.33%，比未掺杂的高8%。⑶通过掺杂改性制备了ZrO2、LiF掺杂LiNi0.9Mn0.1O2材料，研究结果表明：掺杂能改善材料的循环性能。ZrO2掺杂量为1.5%，在25℃、2.75~4.35 V下，正极材料首次放电比容量199.8 mAh/ g，50次循环后，容量保持率为89.79%，在-20℃低温下，放电效率为71.68%。LiF掺杂量为0.5%时，在2.75~4.35 V，0.2 C倍率下，LiNi0.9Mn0.1O2材料的首次放电比容量达到196.45 mAh/ g，循环50次后，容量衰减12.23%，在-20℃，材料的低温放电效率为71.28%。⑷通过分析材料内阻随放电深度的变化，确定材料电化学阻抗值的变化规律，研究材料放电前后阻值的变化。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 LiNiO2正极材料的研究

1.3 正极材料的改性方法

1.4 镍基正极材料的改性研究

1.5 论文研究的意义与主要内容

第二章 实验部分

2.1 实验中主要原材料及仪器设备

2.2 正极材料的制备

2.3 电池的制作工艺

2.4 材料的物理及化学性能表征

2.5 材料的电化学性能表征

第三章 LiNi0.9Mn0.1O2正极材料的合成与性能

3.2 Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体合成工艺探究

3.3 Ni0.9Mn0.1(OH)2前驱体SEM图

3.3 Li/(Ni+Mn)配量对LiNi0.9Mn0.1O2性能的影响

3.4烧结温度对LiNi0.9Mn0.1O2性能的影响

3.5保温时间对LiNi0.9Mn0.1O2性能的影响

3.6 LiNi0.9Mn0.1O2材料制备过程中氧浓度的表征

3.7 LiNi0.9Mn0.1O2放电深度的影响

3.8 本章小结

第四章 LiNi0.9-xCoxMn0.1O2材料的合成与性能

4.1 引言

4.2 Ni0.9-xCoxMn0.1(OH)2前驱体成分分析

4.3 LiNi0.9-xCoxMn0.1O2材料的结构分析

4.4 LiNi0.9-xCoxMn0.1O2材料形貌表征

4.5 LiNi0.9-xCoxMn0.1O2材料电化学性能分析

4.5 本章小结

第五章ZrO2/ LiF掺杂LiNi0.9Mn0.1O2材料性能的研究

5.1 引言

5.2 掺杂ZrO2对LiNi0.9Mn0.1O2性能的影响

5.3 掺杂LiF对LiNi0.9Mn0.1O2性能的影响

5.4 本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果