高容量锂离子电池电极材料的制备与电化学性能研究

摘要

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等诸多优点，已经成功应用于便携式电子设备中，同时正在大规模地向电动汽车和储能设备领域发展。然而目前的锂离子电池性能已经无法满足上述日益增长的需求。为了提高锂离子电池的性能，发展新型的锂离子电池正、负极材料具有重要意义。本论文在深入调研高容量富锂正极材料（LR-MNC，实际容量＞250mAh g-1）和氧化镍负极材料(NiO，理论容量718 mAh g-1)的研究进展基础上，开展了基于碳酸盐共沉淀法制备富锂正极材料Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2及掺杂改性、微乳液法辅助制备一维空心结构NiO及电化学性能研究工作。主要内容如下:
　　针对LR-MNC容量衰减、电压衰减以及倍率性能和热稳定性差的问题，对碳酸盐共沉淀法结合后续高温煅烧制备的表面多孔的球状Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2分别进行了Al、F单一元素掺杂和共掺杂改性的研究。Al&F共掺杂结合了Al、F单一元素掺杂的优势，可以有效缓解由层状结构向尖晶石结构的转变，因而可以抑制容量衰减和电压衰减:在0.5 C循环150次后，放电容量为217mAh g-1且容量保持率为88.21％，平均放电电压衰减仅为0.4019 V。另一方面，Al&F共掺杂可以提高离子和电子传导率，进而提升倍率性能，10C下的放电容量高达157mAh g-1。此外，Al&F共掺杂使材料的热稳定性得到改善，初始放热峰高达273℃且总产热量低至221 J g-1。
　　针对NiO在充放电过程中的体积膨胀问题，采用微乳液水核提供合成一维材料的模板，并利用奥氏熟化机制制备了一维空心NiO负极材料，具有均匀的形貌和优异的电化学性能。0.1 C首次放电容量为1086.2 mAh g-1，首次库伦效率为75.00％，100次循环后放电容量保持为884.8 mAh g-1;5 C首次放电容量为429.7mAh g-1，经过80次循环后容量为492.5mAh g-1;10 C高倍率下的平均放电容量也高达363.0 mAh g-1。原反应体系放大10倍制备的NiO材料或利用回收油相制备的NiO材料均具有一维空心结构，电化学性能较好，证明了产物可以利用放大反应大量制备，并可以重复利用油相，降低成本，减少废弃有机试剂的污染。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池概况

1．2 锂离子电池的工作原理

1．3 锂离子电池正极材料简介

1．4 富锂层状正极材料

1．4．1 富锂层状正极材料的发展

1．4．2 富锂层状正极材料的结构及充放电机理

1．4．3 富锂层状正极材料的制备方法

1．4．4 富锂层状正极材料存在的问题及解决策略

1．5 锂离子电池负极材料简介

1．6 NiO负极材料

1．6．1 NiO负极材料简介

1．6．2 NiO负极材料的结构及充放电机理

1．6．3 NiO负极材料的制备方法

1．7．1 本论文的选题背景

1．7．2 本论文的选题意义与研究内容

第二章 球形富锂正极材料Li1．2Ni0．13Co0．13Mn0．54O2的制备与掺杂改性研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 实验药品、试剂及仪器

2．2．2 球形富锂正极材料Li1．2Ni0．13Co0．13Mn0．54O2及其掺杂材料的制备

2．2．3 样品的表征

2．2．4 样品的电化学性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 碳酸盐前驱体的表征

2．3．2 铝掺杂对富锂正极材料Li1．2Ni0．13Co0．13Mn0．54O2的影响

2．3．3 氟掺杂对富锂正极材料Li1．2Ni0．13Co0．13Mn0．54O2的影响

2．3．4 铝氟共掺杂对富锂正极材料Li1．2Ni0．13Co0．13Mn0．54O2的影响

2．4 本章小结

第三章 微乳液辅助制备一维空心NiO的研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 实验药品、试剂及仪器

3．2．2 一维空心NiO的制备

3．2．3 样品的表征

3．2．4 样品的电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 前驱体NiC2O4及NiO的结构与形貌

3．3．2 前驱体NiC2O4的生长机理

3．3．3 反应条件对产物形貌的影响

3．3．4 反应条件对产物电化学性能的影响

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文