富锂层状氧化物正极材料Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2的制备与电化学性能

摘要

随着锂离子电池的快速发展，其应用领域也在不断扩大，大部分便携式电子产品及电动汽车已采用锂离子电池作为其电源。这些应用领域对锂离子电池的安全性、能量密度和循环稳定性提出了更高的要求。作为锂离子电池正极材料，富锂层状氧化物由于具有较高的放电比容量（≥250mAh g-1）、较宽的放电平台（2.0~4.8V）和较低的成本而引起广泛研究。但是该材料也存在首周库伦效率低及循环稳定性差等缺点。针对这些问题，本论文以 Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2为研究对象，优化此类富锂层状氧化物材料的制备条件，并采用Mo和 K掺杂的方法对其进行性能改进，以期能稳定材料的结构，提高材料的电化学性能。
　　本研究主要内容包括：⑴采用冷冻干燥法制备富锂层状氧化物正极材料Li[Li0.17Ni0.2Mn0.58Co0.05]O2。研究了过渡金属离子浓度、柠檬酸溶液浓度和焙烧温度对所制备的富锂层状氧化物材料的结构和电化学性能的影响。实验结果显示，冷冻干燥法制备富锂层状氧化物正极材料 Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2的最佳条件为：过渡金属离子浓度0.553mol L-1,柠檬酸溶液浓度1.428molL-1,焙烧温度为850℃，焙烧时间10h。在此条件下合成的材料层状结构明显，颗粒大小均匀（晶粒尺寸约为100-200nm）。在2.0-4.8V范围内以30mA g-1的电流密度对材料进行恒流充放电测试，其首周放电比容量可达274.9mAhg-1。首周库伦效率为84.3％，经过50周循环后，材料的容量为229.8mAhg-1,容量保持率为83.6%。⑵采用Mo掺杂对富锂层状氧化物正极材料 Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2进行改性。制备了Mo不同掺杂量的氧化物材料Li[Li0.17-xMoxNi0.25Mn0.53Co0.05]O2（x=0、0.005、0.01、0.02和0.05），并研究了Mo掺杂对氧化物材料结构和电化学性能的影响。XRD测试发现，Mo掺杂后得到的材料晶型结构没有显著变化，没有层状结构以外的杂相峰出现，这表明Mo可以掺杂到层状氧化物的晶格中。XPS测试表明，Mo在氧化物材料中以Mo4+和Mo6+的形式存在。电化学性能测试表明，当掺杂量 x=0.005和 x=0.01时，材料的首周放电容量分别为260.9和270.0mAh g-1,首周库伦效率为97.4和83.9%，100周后材料的容量保持率分别为83.4和91.1%，电化学性能改善明显。⑶采用K掺杂对富锂层状氧化物正极材料Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2进行性能改进。制备了不同 K掺杂含量的氧化物材料Li[Li0.17-xKxNi0.25Mn0.53Co0.05]O2，研究了K掺杂对富锂层状氧化物材料结构和电化学性能的影响。通过XRD、SEM、TEM和XPS等手段对K掺杂后得到的材料的晶型结构和表面形貌进行了测试表征，结果表明：K掺杂对氧化物材料的晶型结构没有显著影响，K掺杂前后的材料均为α-NaFeO2型层状结构。没有层状结构以外的衍射峰，这表明K可以掺杂到层状氧化物的晶格中；掺杂K前后的样品形貌没有显著变化；XPS测试表明，在289.01eV处，有K2p特征峰存在，显示K在氧化物材料中的存在。电化学性能测试表明，当K掺杂量x=0.1时，氧化物材料有最高的放电中值电势和放电能量密度。经过150周循环后，材料也具有最高的循环容量保持率（96.1%）。这表明，K+掺杂对富锂层状氧化物材料的电化学性能有明显改善。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

第一节 引言

第二节 锂离子电池概述

第三节富锂过渡金属氧化物层状正极材料

第四节 本论文主要研究内容

参考文献

第二章 实验方法

第一节 实验试剂及仪器

第二节 材料的结构形貌性能表征分析

第三节 电化学性能测试分析

参考文献

第三章 Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2的制备及Mo掺杂对材料结构和性能的影响

第一节 前言

第二节 实验部分

第三节 制备条件对Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2的结构和性能影响

第四节 Mo掺杂对Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2结构和性能的影响

第五节 最优的钼掺杂对Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2性能的影响

第六节 本章小结

参考文献

第四章 K掺杂的富锂层状氧化物正极材料

第一节 引言

第二节 实验部分

第三节 K 掺杂对层状材料Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2性能的影响

第四节 最优的钾掺杂对Li[Li0.17Ni0.25Mn0.53Co0.05]O2性能的影响

第五节 本章小结

参考文献

第五章 结论

致谢

个人简历及硕士学位期间研究成果