三元Li1.06Ni0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的制备及性能研究

作     者：徐子真 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谷亦杰

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：锂离子电池 LiNixCoyMnzO2 共沉淀 阳离子混排 核壳结构 

摘      要：近年来,由于能源危机和环境污染问题愈发严峻,原先的燃料汽车逐渐向插电式混合动力汽车、电动汽车方向转型,这也使锂离子二次电池得到了进一步发展。在众多的正极材料中,三元层状LiNixCoyMnzO2由于它具有高的充放电比容量、优异的倍率性能、良好的循环稳定性、成本低等优点,而受到许多研究人员的关注。但是它也存在一些问题,如高镍材料的循环性能较差、阳离子混排现象严重等。我们通常会对三元材料进行掺杂或包覆来改进它的电化学性能。另外,对于523型三元正极材料的具体制备工艺参数还需要进一步研究。本文通过氢氧化钠共沉淀法成功制备出了 Li1.06Ni0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。通过改变材料的煅烧温度,研究了温度对材料性能的影响。SEM结果表明升高煅烧温度可以增大材料的一次粒径。根据XRD精修结果,增大温度会使Ni3b含量先减小后增多,在900℃时Ni3b含量最少为0.038。而且随着温度的增加,用于提供Li+扩散通道的四面体体积也逐渐增大。920℃下煅烧的样品电化学性能最佳,0.1C倍率下首次放电比容量为178.6 mAh g-1。又对煅烧时间对材料性能的影响进行了研究,证明了 523型三元正极材料的最佳煅烧时间为12h。我们发现煅烧12h的样品的六方密排结构的有序性最高,因此它的电化学性能也最好,在2C倍率下循环5周后容量为109.1 mAh·g-1。通过对材料掺入不同量的Mg研究掺Mg对材料性能的影响。掺Mg可以减少阳离子混排、稳定材料的晶体结构。掺入2%的Mg的样品展示出了最佳的电化学性能。未掺杂与掺2%Mg的样品在0.1C、2.5-4.3V的首次放电比容量分别为163.1和170.8mAh.g-1。掺入2%Mg,材料在1C倍率下循环50周后容量保持在127.4 mAh·g-1容量保持率为97.2%,循环稳定性非常好。本文还用碳酸盐共沉淀法制备了兼具核的高放电比容量与壳的高循环稳定性的核壳结构三元正极材料 Li1.06[(Ni0.9Co0.1)x(Ni0.5Co0.2Mn0.3)y]O2(x=0.88,0.75,0.63,0.5)。核壳结构正极材料仍具有良好的层状结构。由于x值不同,材料的Ni含量不同,它们适宜的煅烧温度也不同。所以在同一煅烧温度下,x值不同的核壳结构正极材料一次粒径不同。当x=0.75和0.63时,样品展示了高的放电比容量,在0.1C时分别为187.2 mAh.g-1和1 84.7 mAh·g-1。但是x=0.63的样品具有非常好的循环性能,在1C倍率下循环50周后容量仍可达到139.6 mAh·g-1,而x=0.75的样品容量保持率仅为54.1%,这与两种材料中起稳定结构的Mn含量有关。