锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备及其包覆改性研究

摘要

近年来，由于电子产品、电动汽车和移动设备等的迅速发展，人们对储能设备提出了更高的要求，锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)，由于其具有低成本、高比容量和高放电平台等优点，引起了人们的广泛关注。但是，三元正极材料由于成分组成复杂，在制备过程中容易发生元素组分不均匀，以及高温煅烧过程中容易发生阳离子(Li+与Ni2+)混排，并且存在电子导电率低，以及在充放电过程中容易发生金属离子的溶解等缺点，导致该材料循环性能以及倍率性能较差。本文采取不同合成方法：共沉淀和模板法得到组成成分均一、阳离子混排较低，电化学性能优良的 LNCM正极材料。此外，为了进一步提升其电化学性能，采用 Pr6O11包覆改性 LNCM，得到放电容量高、倍率性能较好的复合材料。主要研究内容如下：
　　(1)通过共沉淀法制备前驱体，进一步煅烧得到LNCM微球，发现在850℃下煅烧得到的微球呈现较均匀的离子分布以及较低的阳离子混排。电化学测试结果表明：850℃煅烧得到的LNCM具有较好的循环性能以及较高的放电容量。样品在1 C电流密度下首次放电容量为174.9 mAh g-1，在大电流密度10 C时首次放电容量为136.6 mAh g-1，放电容量均高于文献报道值。
　　(2)采用简单的自模板-固相法合成了电化学性能较好的空心哑铃形的LNCM正极材料，并探究了煅烧时间对电化学性能的影响，结果表明：高温煅烧10 h得到电化学良好的空心哑铃形LNCM(L-2)，该样品直径约为1.5-2μm，是由100-200 nm的颗粒组成。该材料在1 C电流密度下首次放电容量为155.1 mAh g-1，循环500圈后放电容量仍保持在107.8 mAh g-1，在10 C电流密度下首次放电容量为144.7 mAh g-1，循环300圈后放电容量仍保持在97 mAh g-1。空心哑铃形的三元正极材料不仅能够保证材料的均匀性，而且在一定程度上能够缓冲体积膨胀，从而提高倍率性能与长循环性能。此外，样品循环寿命大于文献报道的LNCM正极材料的循环寿命。
　　(3)将空心哑铃形的L-2正极材料和Pr(NO3)3·6H2O通过低成本的湿化学法混合后煅烧，制备均匀 Pr6O11导电层包覆的 LNCM。结果表明少量 Pr6O11包覆层并没有改变三元材料的晶体结构。电化学测试结果表明：包覆量为1 wt%的样品(M-1)表现出最好的电化学性能，其首次放电容量为152.3 mAh g-1(截止电压为4.6 V和电流密度10 C时)，明显高于未包覆的正极材料(135.2 mAh g-1)。Pr6O11层既可以加快Li+在电极材料中的传输，又能够缓解正极材料在充放电过程中的体积膨胀，提高正极材料在高电压和高电流密度下的放电容量及循环性能。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池正极材料

1.4 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成方法

1.5 层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的改性研究

1.6 本文选题依据和主要研究内容

2 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2微球的合成及电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果及讨论

2.4 本章小结

3 分级介孔中空哑铃形LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的制备及电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 Pr6O11表面包覆改性制备正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 全文总结

参考文献

论文发表及整理情况

致谢

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