锂离子电池LiNi1-x-yCoxMnyO2三元正极材料的制备、改性及电化学性能研究

摘要

消费类电子产品的多样化、便携化发展，特别是新能源汽车的高续航里程保障等对其装载的锂离子电池的能量密度和使用寿命提出了新的要求。锂离子电池三元LiNi1-x-yCoxMnyO2(x+y≤0.5)正极材料具有高能量密度和良好的循环稳定性等优势，对其进行结构设计和改性，进一步提升其电化学性能以满足日益增长的应用需求，具有重要意义。本文的主要研究内容如下:
　　1、基于氢氧化物分级共沉淀法，设计不同过渡金属元素配比的分级进料方式制备出Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体，通过后期混锂煅烧处理制得了Ni、Mn浓度从中心到表面呈梯度分布(中心富Ni，表面富Mn)的球形LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。探究了Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2的晶体生长机理和影响因素。结果显示:当反应时间t=12 h、pH=10.5、搅拌速率为1000 rpm、络合剂浓度氨盐比为3∶4时，所制备的前驱体和煅烧后产物具有良好的球形形貌，粒径在8-10μm之间，分布均匀;该浓度梯度结构材料0.2 C首次放电比容量为166.3 mAh g-1，20 C大电流密度下的放电比容量高达104.1 mAh g-1，0.5 C循环200次容量保持率为95.8％，在20 C/20 C的快充快放倍率下，放电比容量为85.4 mAh g-1，5 C/5 C倍率下循环500次后容量仅衰减16.1％。该材料具备更加优异的电化学性能主要归因于其特殊的浓度梯度结构，其表面较低的Ni浓度有效缓解了充电状态下活性Ni4+与电解液的副反应，一定程度上阻碍了材料结构的坍塌，并且在后续热处理过程中Ni、Mn等过渡金属原子迁移形成的扩散通道有效提高了锂离子的迁移效率。
　　2、基于氢氧化物共沉淀工艺合成Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驱体，然后在温和的乙醇-水溶液（水醇体积比分别为0∶1、1∶1、1∶0）体系中基于沉淀转化原理采用浸渍法进行表面Al(OH)3包覆，固相混锂煅烧后制备了一系列LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@Al2O3材料。探究在不同包覆体系、不同Al源浓度下制备的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@Al2O3材料的电化学性能差异并对其合成机理作简要探讨。结果表明:在乙醇溶液体系中进行Al2O3包覆可有效改善LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的倍率性能和循环稳定性;水溶液体系中Al2O3包覆可大幅提升LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的首次库伦效率和放电比容量;而乙醇-水混合溶液体系可协同发挥乙醇和水体系各自优势，特别在0.2 M的Al(NO3)3溶液中制备的包覆改性材料0.2 C首次充放电比容量分别为225.2和185.9 mAh g-1，首次库伦效率提升至82.5％，2C和20 C对应的放电比容量分别为167.2、133.2 mAh g-1，在0.5 C下200次和300次循环后容量保持率分别高达89.0％和82.6％。与LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2相比，Al2O3包覆后材料由于其表面Al2O3薄层的存在机械地隔离了电极材料与电解液接触，有效地保护了内部活性组分，提升了材料的结构稳定性，并可有效降低高镍三元材料表面的残碱量，从而改善材料的电化学性能。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池发展概况

1．2．2 锂离子电池结构及工作原理

1．3 锂离子电池正极材料

1．3．1 正极材料概述

1．3．2 层状LiNi1-x-yCoxMnyO2材料的理论基础

1．3．3 层状LiNi1-x-yCoxMnyO2材料的制备方法

1．4 层状LiNi1-x-yCoxMnyO2材料的改性研究进展

1．4．3 层状LiNi1-x-yCoxMnyO2材料的表面包覆

1．5 本课题的选题背景与主要研究内容

1．5．1 选题背景

1．5．2 主要研究内容

第二章 基于分级共沉淀法制备三元LiNi0．5Co0．2Mn0．3O2正极材料及电化学性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品与实验设备

2．2．2 样品的制备

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 反应条件对前驱体Ni0．5Co0．2Mn0．3(OH)2制备的影响

2．3．2 球形前驱体的形成机理分析

2．3．3 不同制备方法得到的LiNi0．5Co0．2Mn0．3O2前驱体和产物的表征

2．3．4 不同制备方法得到的LiNi0．5Co0．2Mn0．3O2产物的电化学性能

2．4 本章小结

第三章 金属氧化物Al2O3包覆改性LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2正极材料及电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验药品与实验设备

3．2．2 样品的制备

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 共沉淀法制备LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2前驱体和产物

3．3．2 乙醇溶液体系制备LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2@Al2O3材料

3．3．3 水溶液体系制备LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2@Al2O3材料

3．3．4 乙醇-水混合溶液体系制备LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2@Al2O3材料

3．3．5 Al2O3包覆改性LiNi0．8Co0．1Mn0．1O2的机理分析

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

1．1 结论

1．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况