高容量锂离子电池正极材料的开发

摘要

层状镍酸锂是一种容量极高的锂离子电池正极材料,本文从镍酸锂出发,合成出了三种高容量锂离子电池正极材料LiM<,x>Ni<,0.8-x>Co<,0.2>O<,2>、LiNi<,1/3>Mn<,1/3>Co<,1/3>O<,3>、LiNi<,1/2>Mn<,1/2>O<,2>,分别研究了三种材料的性能,为开发低成本、高性能的新型锂离子电池正极材料做出了有益探索. 采用高温固相法合成了LiM<,x>Ni<,0.8-x>Co<,0.2>O<,2>(M=Mg、Al、La,x=0～0.05),氧气氛,800℃烧结12小时,研究了实验范围内不同x值时材料的电化学性能及结构,发现当x值分别为0.05,0.05和0.01时,材料的前20次循环性能最好,其中LiAl<,0.02>Ni<,0.78>Co<,0.2>O<,2>与LiAl<,0.05>Ni<,0.75>Co<,0.2>O<,2>的电化学性能差别不是很明显.XRD图显示上述三种材料均为层状结构. 采用共沉淀合成前驱使体的方法制备了LiNi<,1/3>Mn<,1/3>Co<,1/3>O<,2>正极材料,研究表明,合成前驱体控制PH=11±0.2,反应温度控制在50℃左右,烧结温度1000℃,保温20小时,Li/(Ni+Mn+Co)=1.15时,合成出的材料电化学性能最优. LiNi<,1/3>Mn<,1/3>Co<,1/3>O<,2>材料分别在2.5～4.3,2.5～4.5,2.5～4.7电压范围下进行充放电,以1C=180 mAh/g为基准,设置电流0.1C,初始放电容量分别为172.9 mAh/g、77.1 mAh/g、200.7 mAh/g,随电压的升高而增大；首次充放电效率分别为95.2﹪、88.6﹪、84.9﹪,随电压的升高而降低,循环性能也呈现此规律.,以LiNi<,1/3>Mn<,1/3>CO<,1/3>O<,2>为正极材料的实验电池在0.2C、0.5C、1C条件下充放电,首次放电容量分别为169.3 mAh·g<'-1>,143.1 mAh·g<'-1>,133.4 mAh·g<'-1>,30次循环后容量保持率均在92﹪以上.XRD结果显示LiNi<,1/3>Mn<,1/3>Co<,1/3>O<,2>材料为良好的层状固熔体,R=1.38,阳离子混排程度低.交流阻抗谱表明该材料循环过程中容量损失的主要原因是正极/溶液界面电阻的增加.循环伏安数据说明LiNi<,1/3>Mn<,1/3>CO<,1/3>O<,2>充放过程主要发生两对氧化还原反应.DSC结果显示LiNi<,1/3>Mn<,1/3>Co<,1/3>O<,2>材料的放热温度范围比钴酸锂及镍酸锂均宽,热稳定性较好. 采用共沉淀合成前驱体方法制备了LiNi<,1/3>Mn<,1/3>O<,2>正极材料,材料在2.5～ 4.3,2.5～4.5,2.5～4.7电压范围内0.1C充放电,首次放电容量分别为166.9mAh/g、180.4mAh/g、191.9mAh/g,首次充放电效率分别为90.7﹪、86.4﹪、82.1﹪,循环性能随电压的升高而下降,XRD图谱显示该材料为层状固溶体结构,但R=0.79,小于1.2,说明样品的阳离子混排程度较为剧烈.

目录

文摘

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第一章文献综述

1.1锂离子电池的发展

1.2锂离子电池的原理和特点

1.2.1锂离子电池的工作原理

1.2.2锂离子电池的特点

1.3锂离子电池负极材料

1.3.1碳系负极材料

1.3.2非碳基负极材料

1.4电解质溶液

1.5锂离子电池正极材料

1.6锂离子电池的发展前景

第二章实验仪器、药品及研究方法

2.1材料制备

2.1.1高温固相法制备材料

2.1.2共沉淀制备前驱体法合成材料

2.2 实验电池的装配

2.3结构表征（XRD衍射实验）及形貌表征

2.4充放电测试

2.5电化学测试

2.5.1交流阻抗分析

2.5.2循环伏安测试（CV）

2.6热稳定性测试(DSC)

第三章LiNi0.8-xMxCo2O2(M=Mg、Al、La)的制备及性能

3.1前言

3.2 LiNi0.8-xMxCo2O2(M=Mg、Al、La)材料制备

3.3实验结果及讨论

3.3.1掺杂镁对材料性能的影响LiMgxNi0.8-xCo0.2O2

3.3.2掺铝对材料性能的影响LiAlxNi0.8-xCo0.2O2

3.3.3掺镧对材料性能的影响LiLaxNi0.8-xCo0.2O2

3.3.4 LiMxNi0.8-xCo0.2O2的XRD分析

3.3.5 LiMxNi0.8-xCo0.2O2的SEM图

本章小结：

第四章LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的制备与电化学性能

4.1引言

4.2材料制备

4.2.1 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的制备

4.2.2 LiCoO2及LiNiO2材料的制备

4.3结果与讨论

4.3.1 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2制备过程的影响因素

4.3.2 X射线衍射分析

4.3.3SEM表征

4.3.4电化学性能分析

4.3.5交流阻抗分析

4.3.6循环伏安分析

4.3.7 热稳定性DSC分析

4.4本章小结：

第五章LiNi1/2Mn1/2O2的制备及性能研究

5.1引言

5.2材料制备

5.3实验结果与讨论

5.3.1 X射线衍射分析

5.3.2 SEM表征

5.3.3电化学性能

5.3.3交流阻抗分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况说明

致谢