锂离子电池三元正极材料的快离子导体包覆改性及电化学性能研究

摘要

锂离子电池是二十世纪末发展起来的一种新型的绿色环保电池。正极材料作为锂离子电池体系的锂源，其设计与选材对锂离子电池的发展尤为重要。目前LiNixCoyMn1-x-yO2三元正极材料被广泛研究，它具有高比容量、低成本、低毒性、安全性能较好等特点，被认为是较好的取代LiCoO2的正极材料。但是，三元正极材料在充放电过程中会与电解液发生不良反应，引起结构的不稳定，导致其电阻增大、循环和倍率性能变差。包覆改性是解决这一问题的有效方法之一。包覆改性可以阻止正极材料和电解液之间的不良反应，提高锂离子的传输效率，减小正极材料的阻抗。本文以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM)和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)为研究对象，通过卤代硼酸锂玻璃xLi2O-yB2O3-zLiX(X=F、Cl、Br、I)，快离子导体包覆改性来提高正极材料的电化学性能。
　　本论文首先采用液相包覆法对NCM正极材料进行Li2O-B2O3-LiX(X=F、Cl、Br、I)包覆研究。结果显示Li2O-B2O3-LiF包覆的NCM材料表现出了优异的电化学性能。通过XRD、SEM和TEM测试，结果表明非晶态的快离子玻璃成功包覆在了三元正极材料NCM的表面，且材料的晶格结构没有发生改变。通过Li2O-B2O3-LiF包覆后，NCM三元材料的首次放电比容量从包覆前的181.1mAhg-1提高到了200.6mAhg-1，提升了19.5mAhg-1，库伦效率由85.2%提升到88.2%；不同电流密度充放电比容量结果表明，包覆改性有效提高了NCM的倍率性能，特别是在大倍率（5C）下，经过LiBF包覆，放电比容量由未包覆的101.6mAhg-1提高到包覆后的156.7mAhg-1，提高了35%；同时LiBF包覆的三元材料有良好的循环稳定性，在0.2C的倍率下，循环50圈来看，容量保有率从81.5%提升到了96.5%；电化学阻抗测试表明，卤代硼酸锂玻璃LiBX(X=F、Cl、Br、I)包覆能够促进Li+在电解液和固态电极之间的转移，能够有效的降低三元正极材料的电荷转移阻抗，提高锂离子扩散率。
　　对于性能较好的Li2O-B2O3-LiF包覆材料，我们进一步研究了xLi2O-yB2O3-zLiF中x，y，z的比例变化对NCM材料性能的影响。经过电化学性能测试，发现在比例为2:1:1的情况下，也就是对NCM三元材料包覆2Li2O-B2O3-LiF时，包覆后的材料具有较好的循环和首次放电性能，包覆后NCM-2LiBF材料的首次放电比容量为207.5mAhg-1，与NCM的首次放电比容量182.1mAhg-1相比，提高了25.4mAhg-1，库伦效率从86.3%。提升到88.2%；从循环性能来看，循环50圈后，NCM的放电比容量从192.5mAhg-1下降到156.8mAhg-1，容量保有率只有81.4%。而包覆后NCM-2LiBF材料在经过50次充放电后容量保有率为97.2%。
　　最后，在确定对NCM三元材料包覆效果最好的材料是2Li2O-B2O3-LiF后，然后对NCM523材料上进行了2Li2O-B2O3-LiF包覆。很据NCM的实验结果，我们选择了2Li2O-B2O3-LiF对NCM523材料进行包覆研究，测试结果显示包覆后的NCM523同样显示出了优异的电化学性能，包覆前后的材料放电比容量从181.8mAhg-1提高到189.7mAhg-1，库仑效率从94.5%提高到97.7%；在高倍率5C下，放电比容量从68.7mAhg-1提升到了116.9mAhg-1，提升了近41%，；从循环性能来看，循环50圈后，包覆前后容量保有率从77.8%提高到96.5%。
　　本论文研究结果表明氟代硼酸锂快离子导体玻璃对三元正极材料进行包覆改性可以有效提高其电化学性能，有望在实际生产中进行应用。

目录

第一章 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概述

1.4 本论文的研究意义及内容

第二章 实验方法

2.1 实验原料和仪器

2.2 材料的电化学性能表征

2.3 材料的结构和性能表征

第三章 卤代硼酸锂Li2O-B2O3-LiX(X=F、Cl、Br、I)包覆改性LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果分析

3.4 小结

第四章 氟代硼酸锂xLi2O-yB2O3-zLiF玻璃包覆改性提高三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果分析

4.4 小结

第五章 2Li2O-B2O3-LiF包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 实验结果分析

5.4 小结

第六章 结论

参考文献

论文发表情况

致谢

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