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《北京石油化工学院》 2018年
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高镍三元正极材料的制备及包覆改性研究

姚琼  
【摘要】:层状高镍三元LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2材料实际放电容量可达170mAh·g~(-1)以上,是目前动力锂离子电池主要候选正极材料之一。本论文针对高镍三元材料目前急需解决的技术问题诸如循环性能差、热稳定性不佳等缺点,主要进行了非含氮络合剂辅助球形三元前驱体Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)(OH)_2的制备、高镍三元LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2材料的合成与包覆改性研究,采用激光粒径分析仪、XRD、SEM、TG/DTA、充放电测试和交流阻抗测试等手段进行了分析,取得了如下主要创新成果:1.非含氮络合剂辅助球形三元前驱体Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)(OH)_2的制备工艺探究结果表明,柠檬酸钠无臭无毒易降解,可以同时和Ni~(2+)、Co~(2+)、Mn~(2+)络合,替代氨水做络合剂制备球形Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)(OH)_2材料是可行的。在反应温度55℃,氮气气氛,镍钴锰硫酸盐溶液浓度2 mol·L~(-1)、NaOH溶液浓度4 mol·L~(-1),机械搅拌速度500~600 r·min~(-1),滴加速度12.5 mL·h~(-1)的基本条件下,探究了柠檬酸钠的浓度、反应的pH值对材料球形度的影响。柠檬酸钠浓度为0.5 mol·L~(-1)且反应p H值为11.0时,共沉淀体系的过饱和度控制较为合适,二次颗粒生长匀速,所制前驱体颗粒密实,球形度好,粒度分布窄,粒径约2~20μm,中粒径D_(50)约7~8μm。2.合成条件对所制高镍三元LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2材料结构与性能的影响及机理研究结果表明,所制材料层状结构完善性及晶粒发育程度是影响材料电性能的主要因素。适度锂过量并提高氧分压,有利于降低离子混排,改善层状结构,降低界面阻抗,提高充放电性能。煅烧温度对材料形貌、结构及电化学性能有比较大的影响,在锂化配比1.08、空气气氛实验条件下,采用500℃预烧6 h,然后850℃煅烧12 h,所制材料晶粒发育较好,离子混排小,层状结构完善,电性能优良,0.2 C放电容量达到172.9 mAh·g~(-1),5 C放电容量达到137.3mAh·g~(-1),0.2 C、0.5 C、1 C、2 C、5 C、0.2 C不同倍率循环30周后容量保持率达到99.4%。3.高镍三元LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2材料表面包覆Al_2O_3改性研究结果表明,湿法包覆或干法包覆前驱体混锂后高温煅烧都可制得包覆改性高镍三元材料,湿法包覆材料的Al_2O_3保护层更均匀。Al_2O_3包覆质量比1.0%比较适当,少量Al_2O_3包覆不影响材料的相结构,但可以有效地抑制HF的侵蚀和电解液在材料表面的氧化分解,减缓界面阻抗的增加,从而提高容量并改善循环性能。包覆量过多时,可能微量Al~(3+)掺杂进入Li Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2晶格,导致离子混乱度增加,恶化电性能。1.0%Al_2O_3湿法包覆LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2材料0.2 C放电容量达178.3 mAh·g~(-1),1 C、5 C放电平均容量可分别达158.3 mAh·g~(-1),135.3mAh·g~(-1),0.2 C循环100圈后容量保持率高达95.6%。该材料具有较好的应用前景。
【学位授予单位】:北京石油化工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM912;TQ131.11

【参考文献】
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