锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.2O2的合成与电化学性能研究

摘要

锂离子电池正极材料 LiNi0.8Co0.2O2具有价格低廉、对环境友好、比容量高、能量密度大、工作电压高、循环性能优良等优点，是成功商业化的LiCoO2正极材料的理想替代物。　　本着有利于工业化生产、环境保护和降低成本的目的，本论文旨在提高LiNi0.8Co0.2O2正极材料的放电比容量、电化学循环性能尤其是高温环境下充放电测试的循环性能。本实验结合液相共沉淀法和高温固相合成法两种方法来制备LiNi0.8Co0.2O2，并对其进行阳离子掺杂改性，结合TG、XRD、SEM、电池测试仪、CV等手段对材料的物相结构、微观形貌和电化学性能等进行了研究。　　(1)选用前躯体 Ni0.8Co0.2(OH)2制备的最佳工艺条件：混合金属离子浓度1mol/L，沉淀剂NaOH浓度2mol/L，反应pH值11，反应温度50℃，反应时间5h下，合成得到高密度高活性的前驱体，XRD、SEM、EDS等分析显示前躯体晶体结构完整，颗粒均匀分布，分散性良好，几乎是类球形形貌，振实密度很高（达到1.91g/cm3）。将锂源LiOH·H2O和前驱体Ni0.8Co0.2(OH)2混合粉料进行TG分析结果显示，适宜采用两段控温烧结方式，并将待考察温度区间分为两段，分别是600℃~700℃和725℃~850℃。实验考察得到最佳的LiNi0.8Co0.2O2正极材料烧结合成条件为：700℃9h750℃12h，空气气氛，锂摩尔配比n(Li):n(Ni+Co)=1.13:1，此时制备的样品具有完整的层状结构，颗粒分布均匀，离子无序度较小，其首次放电比容量达153.0 mAh/g，20次循环容量保持率高达98.50％，表现出最优良的电化学性能。并对此样品进行了CV测试表明正极材料可逆性较好，循环稳定性较强。充放电倍率实验结果证明0.5C是LiNi0.8Co0.2O2进行充放电测试最理想的倍率。最佳实验条件下制备LiNi0.8Co0.2O2高温50±3℃下进行充放电测试的电化学性能逊色于常温25±3℃时的，分析原因是：高温环境充放电测试时，电解液会在高温环境下被氧化分解，同时正极材料层状结构会发生变化，从而恶化锂离子电池的电化学性能。由此引出了一个新的问题：如何提高 LiNi0.8Co0.2O2正极材料在高温环境下充放电测试的电化学性能？　　(2)考察了掺Al、掺Cr、掺V对LiNi0.8Co0.2O2正极材料性能的影响，表明掺Al量0.05，掺Cr量0.05，掺V量0.02时LiNi0.8Co0.2O2正极材料在高温环境充放电测试中具有比常温时更高的首次放电比容量和多次循环容量保持率，表现出更好的电化学性能，说明掺杂一定量的其他元素达到改善 LiNi0.8Co0.2O2在高温环境充放电测试的电化学性能的目的。

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第一章 绪 论

1.1 本文研究背景

1.2 锂离子电池的发展历史

1.3 锂离子电池的组成结构和工作原理

1.4 锂离子电池正极材料

1.5 LiNi0.8Co0.2O2正极材料

1.6 本论文的选题意义和研究内容

第二章 实验原料、实验仪器与材料表征分析测试方法

2.1 实验原料和实验仪器

2.2 材料表征分析测试方法

2.3 锂离子电池正极材料的电化学性能测试

第三章 LiNi0.8Co0.2O2正极材料的本体合成

3.1 高密度前驱体Ni0.8Co0.2(OH)2的共沉淀合成

3.2 LiNi0.8Co0.2O2的高温固相合成反应原理分析

3.3 LiNi0.8Co0.2O2合成的两段控温烧结方式考察

3.4 烧结气氛对高温固相合成LiNi0.8Co0.2O2性能的影响

3.5 锂摩尔配比对固相合成LiNi0.8Co0.2O2性能的影响

3.6 提高烧结温度下增大锂摩尔配比对LiNi0.8Co0.2O2性能的影响

3.7 最佳实验条件合成LiNi0.8Co0.2O2的循环伏安测试

3.8 充放电倍率对LiNi0.8Co0.2O2电化学性能的影响

3.9 LiNi0.8Co0.2O2的常温和高温环境充放电测试

3.10 本章小结

第四章 LiNi0.8Co0.2O2正极材料的掺杂改性

4.1 LiNi0.8Co0.2O2正极材料的掺Al改性

4.2 LiNi0.8Co0.2O2正极材料的掺Cr改性

4.3 LiNi0.8Co0.2O2正极材料的掺V改性

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果