锂离子电池正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的合成与改性

摘要

层状的富镍材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2在较低的截止电压范围内(＜4.3 V)具有较高的放电比容量被认为是锂电池中最具前景的正极材料之一。本论文通过研究焙烧气氛，优化LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2的制备条件，对材料进行Al2O3包覆和石墨烯包覆，改善其电化学性能，并且探究高电压钴酸锂的合成方法，优化其合成条件，改善钴酸锂材料在高截止电压下(4.5 V)的电化学性能。
　　采用共沉淀法，合成出前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2，混入Li2CO3后在空气和氧气两种不同的焙烧气氛下烧结得到两种样品LNCMO-A(空气)和LNCMO-O(氧气)，研究焙烧气氛对材料结构、形貌和电化学性能的影响。XRD和SEM结果显示氧气焙烧制备的材料具有较低的Li+/Ni2+混排、较好的层状有序结构和较小的球形颗粒。电化学性能测试结果显示氧气焙烧所得材料具有较高的首次放电容量(184.6 mAh·g-1、0.1C)、较高的首次库伦效率(84.2％)、较好的循环性能(91.4％、100次循环)和倍率性能。XPS、CV和EIS测试的结果分析进一步表明，氧气焙烧改善了LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2在充放电过程中的电化学性能。
　　采用均匀沉淀法，以尿素为沉淀剂，在LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料表面包覆上一层较透明的Al2O3包覆层。XRD的结果显示Al2O3包覆比例为1％的样品具有较好的六方晶型α-NaFeO2层状结构。TEM图显示，纯相材料颗粒表面有一层较透明的包覆层。电化学性能测试结果显示在所有样品中，Al2O3包覆比例为1％的样品具有较高的放电容量、循环稳定性和倍率性能。
　　采用水热法在LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2材料表面进行还原氧化石墨烯包覆。XRD的结果显示RGO包覆后没有改变材料的结构，其中RGO包覆比例为2.5％的样品具有较好的六方晶型α-NaFeO2层状结构。TEM图显示，纯相材料颗粒表面有一层较透明的包覆层。电化学性能测试结果显示RGO包覆比例为2.5％的样品具有较好的循环稳定性和倍率性能。
　　采用高温固相法，以Co3O4和Li2CO3为原料合成出纯相LiCoO2，采用硫酸盐共沉淀法合成出复合材料(LiNi0.5Mn1.5O4)0.2(LiCoO2)0.8。XRD结果显示，复合材料(LiNi0.5Mn1.5O4)0.2(LiCoO2)0.8改变了纯相LiCoO2的结构。SEM结果显示复合材料(LiNi0.5Mn1.5O4)0.2(LiCoO2)0.8颗粒更接近球形，团聚现象更明显。电化学性能测试结果显示复合材料(LiNi05Mn1.5O4)0.2(LiCoO2)0.8具有较好的循环稳定性(90.2％、50次循环)和倍率性能。CV测试结果显示，(LiNi0.5Mn1.5O4)0.2(LiCoO2)0.8在充放电过程中具有较好的结构可逆性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池的发展历程

1．2．2 锂离子电池简述

1．3 锂离子电池正极材料概述

1．3．2 尖晶石结构LiMn2O4正极材料

1．4 三元层状结构LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2的研究进展

1．4．2 LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2的改性方法

1．5 本论文的研究背景和研究内容

第二章 焙烧气氛对锂离子电池正极材料LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2的影响研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验主要药品及仪器

2．2．2 LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2材料的制备

2．3 材料的表征与电化学性能测试

2．3．1 XRD表征

2．3．2 SEM表征

2．3．4 正极极片的制备和电池的组装

2．3．5 电化学性能测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 结构分析(XRD)

2．4．2 形貌分析(SEM)

2．4．3 XPS分析

2．4．4 首次充放电曲线分析

2．4．5 循环性能和倍率性能分析

2．4．6 循环伏安曲线分析(CV)

2．4．7 电化学阻抗分析(EIS)

2．5 本章小结

第三章 锂离子电池正极材料LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2包覆Al2O3的改性研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要实验药品及仪器

3．2．2 Al2O3包覆LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2

3．3 材料的表征与电化学性能测试

3．3．3 正极极片的制备和电池的组装

3．3．4 电化学性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 结构分析(XRD)

3．4．2 形貌分析(TEM)

3．4．3 材料的首次充放电曲线分析

3．4．4 循环性能分析

3．4．5 倍率性能分析

3．4．6 循环伏安曲线分析(CV)

3．4．7 电化学阻抗分析(EIS)

3．5 本章小结

第四章 锂离子电池正极材料LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2包覆石墨烯的改性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要实验药品及仪器

4．2．2 LiNi0．6Co0．2Mn0．2O2／RGO复合材料的制备

4．3 材料的表征与电化学性能测试

4．3．3 正极极片的制备和电池的组装

4．3．4 电化学性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 结构分析(XRD)

4．4．2 形貌分析(TEM)

4．4．3 首次充放电曲线分析

4．4．4 循环性能分析

4．4．5 倍率性能分析

4．4．6 循环伏安曲线分析(CV)

4．4．7 电化学阻抗分析(EIS)

4．5 本章小结

第五章 锂离子电池正极材料(LiNi0．5Mn1．5O4)0．2(LiCoO2)0．8的合成研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 主要实验药品及仪器

5．2．3 (LiNi0．5Mn1．5O4)0．2(LiCoO2)0．8复合材料的制备

5．3 材料的表征与电化学性能测试

5．3．1 XRD表征

5．3．2 SEM表征

5．3．3 正极极片的制备和电池的组装

5．3．4 电化学性能测试

5．4 结果与讨论

5．4．2 形貌分析(SEM)

5．4．3 电化学性能分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本论文结论

6．2 本论文不足之处

6．3 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文