摻鈷鎳錳酸鋰的合成及結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、現(xiàn)代社會對高性能鋰離子電池的需求量在不斷增加，而正極材料的發(fā)展滯后卻阻礙了鋰離子電池的快速發(fā)展。目前商業(yè)鋰離子電池使用的正極材料主要是鈷酸鋰。由于鈷資源匱乏，價格昂貴，毒性較高，開發(fā)無鈷和少鈷的新型正極材料成為鋰離子電池的一個重要發(fā)展方向。鎳錳酸鋰(LiNi1/2Mn1/2O2)是極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦驼龢O材料。但是目前鎳錳酸鋰還沒有在商業(yè)鋰離子電池中得到應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法合成鎳錳酸鋰容易出現(xiàn)雜相，鎳錳酸鋰本身存在電導(dǎo)率較低、倍率放

2、電性能較差等問題。 本文在綜合分析鋰離子電池正極材料尤其是鎳錳酸鋰(LiNi1/2Mn1/2O2)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選擇了摻雜改性效果良好的鈷作為摻雜元素，進(jìn)行了摻鈷鎳錳酸鋰的合成試驗，做了以下幾方面研究工作，取得了一些初步認(rèn)識。 1.采用草酸鹽共沉淀法成功合成了具有α—NaFeO2型層狀有序結(jié)構(gòu)和良好電化學(xué)性能的Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCoxO2。采用XRD、SEM、電池性能測試儀等測試手段系統(tǒng)研究了合成產(chǎn)物

3、的結(jié)構(gòu)、形貌、電化學(xué)性能，考察了合成溫度、合成時間、摻鈷量、鋰過量等因素對合成產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的影響，獲得了采用用酸共沉淀法合成Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCoxO2的工藝條件參數(shù)。實驗結(jié)果表明，利用草酸共沉淀法合成摻鈷鎳錳酸鋰可以克服傳統(tǒng)固相法容易出現(xiàn)雜相的缺點，得到單相的摻鈷鎳錳酸鋰；在鎳錳酸鋰中摻入適量的Co，有利于提高陽離子的有序度，促進(jìn)α—NaFeO2型層狀有序結(jié)構(gòu)的形成，穩(wěn)定其晶體結(jié)構(gòu)，改善其充放電性能。所合成的LiNi

4、0.4Mn0.4Co0.2O2首次放電比容量達(dá)到158.7mAh/，30次循環(huán)后其容量仍保持144，8mAh/g。 2.采用共沉淀—燃燒法制備了Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCoxO2系列正極材料，采用XRD、SEM、電池性能測試儀研究了合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌、電化學(xué)性能，通過正交實驗研究了影響Li(Ni0.5Mn0.5)1-xCoxO2電化學(xué)性能的主要因素，獲得了采用共沉淀—燃燒法在空氣中合成Li(Ni0.5Mn0.5)1-

5、xCoxO2的工藝條件參數(shù)。實驗結(jié)果表明，回火溫度、回火時間、摻鈷量、鋰過量等因素對合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能均有重要影響，其中回火溫度的影響最大，其次是回火時間。所合成的LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2首次放電比容量達(dá)到153.3mAh·g-1，三十次循環(huán)后其容量仍保持在132.3mAh·g-1，表現(xiàn)出了良好的充放電性能。 3.采用離位XRD和DSC對所合成的摻鈷鎳錳酸鋰在充放電過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。離位XR

6、D分析結(jié)果顯示，在2.5～5V之間充放電，所合成的LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2材料沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)相變，表現(xiàn)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，證實了Co摻雜能夠抑制鎳錳酸鋰基正極材料的結(jié)構(gòu)相變，穩(wěn)定材料的α—NaFeO2型層狀結(jié)構(gòu)，提高LiNi0.5Mn0.5O2基正極材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而改善鎳錳酸鋰基正極材料的充放電性能。DSC分析結(jié)果顯示，Co摻雜的鎳錳酸鋰的熱穩(wěn)定性比未摻雜的鎳錳酸鋰的穩(wěn)定性顯著提高，放熱起始溫度推遲