锂离子电池层状富锂正极材料的表面改性研究

作     者：张闻煦 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨毅夫

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 层状富锂正极材料 电压衰减 包覆改性 Al2O3/SiO2 

摘      要：随着新能源汽车产业的迅猛发展,现今商业化正极材料在能量密度方面难以满足人们对续航里程的高要求,因而开发新型具有高比能的新材料至关重要。层状富锂正极材料自被报道以来,就以其高比容量、热稳定性好、成本低、环境友好等诸多优点受到广泛关注。但经过多年研究,其商业化应用仍然存在诸多挑战,主要包括:首周不可逆容量损失大、严重的容量和电压衰减、倍率性能差等。因此,对于层状富锂正极材料的改性工作一直是研究热点,主要的改性方法包括:优化合成条件,合成具有特殊形貌的微纳二次粒子,材料预处理,表面修饰以及阳离子和阴离子掺杂等。本论文选取化学计量比为LiMnNiCoO(为书写方便,记为LrMNC)的层状富锂正极材料为研究对象,以提高材料的电化学性能为目标,对LrMNC进行了多种表面修饰改性研究。研究工作主要包括以下几部分:(1)采用简易的固相法合成了层状富锂正极材料LrMNC,并分别利用AlO和SiO对其进行了表面包覆。材料结构、形貌和电化学特性表征分析表明,两种包覆修饰都能一定程度的提高富锂材料的电化学性能,但性能提升侧重在不同的方面:在提升放电容量方面,SiO包覆较AlO包覆效果更为显著,但是对于稳定材料结构和提升循环性能方面,AlO包覆效果更佳。(2)对LrMNC进行了不同质量分数(1 wt.%、2 wt.%和3 wt.%)的AlO/SiO(AlO与SiO的摩尔比为1:1)复合包覆,通过对比不同包覆量的材料的电化学性能,发现包覆量为1 wt.%时,材料的循环稳定性仍然较差;包覆量为3 wt.%时,过厚的包覆层会严重影响到材料的倍率性能;包覆量为2 wt.%时,材料的综合电化学性能最佳。(3)在包覆量为2 wt.%前提下,对LrMNC进行了不同摩尔比(AlO:SiO=1:1、1:2、2:1)的nAlO/SiO复合包覆。各材料的电化学性能对比结果显示,在摩尔比为AlO:SiO=2:1时的包覆对LrMNC的电化学性能提升效果最佳。通过多种表征手段(XRD、SEM、HR-TEM、XPS和FT-IR)对nAlO/SiO复合包覆提升LrMNC电化学性能的机理进行了分析:AlO/SiO在包覆过程中与从基底材料表层脱出的少量LiO结合,形成新的类似Li[AlSiO]的不定型包覆层;基底材料表层在失去部分LiO后发生结构转化,形成具有锂缺陷类尖晶石结构的中间过渡层;新形成的双层结构都可以加速锂离子的扩散,还能防止电解液分解产物的侵蚀,抑制晶格氧的释放和结构演化。因此,该表面包覆方法能够有效的提高材料的循环稳定性、倍率性能,同时显著地抑制电压衰减。