鋰離子電池三元材料Li-Fe-Ni-Mn-O的制備與性能研究.pdf

1、隨著能源、環(huán)境問題的不斷突出以及清潔能源技術(shù)發(fā)展的需要,對(duì)便攜式儲(chǔ)能裝置的要求也越來越高,鋰離子電池以其廣泛的適用性受到極高的關(guān)注。發(fā)展高性能鋰離子電池的瓶頸是其正極材料,盡管Li-Co-Ni-Mn-O三元層狀材料通過元素協(xié)同效應(yīng)具備了循環(huán)性能優(yōu)異、比容量較高以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn),但是Li-Co-Ni-Mn-O三元層狀材料中使用的Co元素有毒,危害環(huán)境,而且Co為戰(zhàn)略金屬,隨著近年來價(jià)格的不斷攀升,成本問題制約了該材料的應(yīng)用領(lǐng)域。采用

2、廉價(jià)、環(huán)保的Fe元素取代Co元素是上述問題的一個(gè)良好的解決辦法,本文采用溶膠凝膠法制備了Li-Fe-Ni-Mn-O層狀三元材料,并且研究了金屬離子摻雜、富錳化等改性方式對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、微觀形貌以及電化學(xué)性能的影響。
　　以LiNO3、Ni(NO3)2·6H2O、Mn(CH3COO)2·4H2O以及Fe(NO3)3·9H2O為原料,以檸檬酸為螯合劑,通過溶膠凝膠法合成了Li1+x(Fe0.2Ni0.4Mn0.4)1-xO2層狀三元材料

3、,并且研究了燒結(jié)溫度、鋰含量以及燒結(jié)時(shí)間對(duì)材料性能的影響。結(jié)果表明,700℃燒結(jié)16h得到的Li1.15(Fe0.2Ni0.4Mn0.4)0.85O2具有最好的電化學(xué)性能,在2.0~4.5V的電壓區(qū)間以20mA/g的電流充放電時(shí),首次放電比容量達(dá)到147.6mAh/g,20次充放電循環(huán)之后的放電比容量為112.9mAh/g,容量保持率為76.4％。當(dāng)充電截止電壓升高到4.7V時(shí),材料的首次放電比容量為166mAh/g,20次充放電循環(huán)之

4、后的放電比容量為117.2mAh/g,容量保持率為70.6%。
　　為了提高Li1.15(Fe0.2Ni0.4Mn0.4)0.85O2的電化學(xué)性能,對(duì)該材料進(jìn)行金屬離子摻雜改性。測(cè)試結(jié)果表明,Mg2+摻雜降低了三元材料的循環(huán)性能,而且對(duì)其倍率性能也幾乎沒有提高。Al3+摻雜則改善了材料的循環(huán)性能和倍率性能,當(dāng)Al3+摻雜量為0.01時(shí),材料具有最高的循環(huán)性能。首次放電比容量為143.6mAh/g,20次充放電循環(huán)之后的放電比容量為

5、122.6mAh/g,容量保持率為85.4%。
　　對(duì)富錳化改性的研究表明,富錳三元材料只有在較高的截止電壓下才能表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在2.0~4.7V的電壓區(qū)間以20mA/g電流下充放電時(shí),Li1.15Fe0.17Ni0.17Mn0.51O2的首次放電比容量為189mAh/g,20次充放電循環(huán)后的放電比容量為140.4mAh/g,容量保持率為74.3%。而且該材料還表現(xiàn)出良好的倍率性能,在40mA/g、100mA/g、200