鋰離子電池LiNi1-x-yCoxMnyO2三元正極材料的制備、改性及電化學(xué)性能研究.pdf

1、消費類電子產(chǎn)品的多樣化、便攜化發(fā)展，特別是新能源汽車的高續(xù)航里程保障等對其裝載的鋰離子電池的能量密度和使用壽命提出了新的要求。鋰離子電池三元LiNi1-x-yCoxMnyO2(x+y≤0.5)正極材料具有高能量密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和改性，進一步提升其電化學(xué)性能以滿足日益增長的應(yīng)用需求，具有重要意義。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1、基于氫氧化物分級共沉淀法，設(shè)計不同過渡金屬元素配比的分級進料方式制備出Ni

2、0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驅(qū)體，通過后期混鋰煅燒處理制得了Ni、Mn濃度從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正極材料。探究了Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2的晶體生長機理和影響因素。結(jié)果顯示:當(dāng)反應(yīng)時間t=12 h、pH=10.5、攪拌速率為1000 rpm、絡(luò)合劑濃度氨鹽比為3∶4時，所制備的前驅(qū)體和煅燒后產(chǎn)物具有良好的球形形貌，粒徑在8-10μm之間，分布均

3、勻;該濃度梯度結(jié)構(gòu)材料0.2 C首次放電比容量為166.3 mAh g-1，20 C大電流密度下的放電比容量高達104.1 mAh g-1，0.5 C循環(huán)200次容量保持率為95.8％，在20 C/20 C的快充快放倍率下，放電比容量為85.4 mAh g-1，5 C/5 C倍率下循環(huán)500次后容量僅衰減16.1％。該材料具備更加優(yōu)異的電化學(xué)性能主要歸因于其特殊的濃度梯度結(jié)構(gòu)，其表面較低的Ni濃度有效緩解了充電狀態(tài)下活性Ni4+與電解液

4、的副反應(yīng)，一定程度上阻礙了材料結(jié)構(gòu)的坍塌，并且在后續(xù)熱處理過程中Ni、Mn等過渡金屬原子遷移形成的擴散通道有效提高了鋰離子的遷移效率。
　　2、基于氫氧化物共沉淀工藝合成Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2前驅(qū)體，然后在溫和的乙醇-水溶液（水醇體積比分別為0∶1、1∶1、1∶0）體系中基于沉淀轉(zhuǎn)化原理采用浸漬法進行表面Al(OH)3包覆，固相混鋰煅燒后制備了一系列LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@Al2O3材料。探究在不

5、同包覆體系、不同Al源濃度下制備的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2@Al2O3材料的電化學(xué)性能差異并對其合成機理作簡要探討。結(jié)果表明:在乙醇溶液體系中進行Al2O3包覆可有效改善LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性;水溶液體系中Al2O3包覆可大幅提升LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的首次庫倫效率和放電比容量;而乙醇-水混合溶液體系可協(xié)同發(fā)揮乙醇和水體系各自優(yōu)勢，特別在0.2 M的Al(NO3

6、)3溶液中制備的包覆改性材料0.2 C首次充放電比容量分別為225.2和185.9 mAh g-1，首次庫倫效率提升至82.5％，2C和20 C對應(yīng)的放電比容量分別為167.2、133.2 mAh g-1，在0.5 C下200次和300次循環(huán)后容量保持率分別高達89.0％和82.6％。與LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2相比，Al2O3包覆后材料由于其表面Al2O3薄層的存在機械地隔離了電極材料與電解液接觸，有效地保護了內(nèi)部活性組分