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《大连理工大学》 2007年
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锂离子电池正极材料的合成及性能研究

杨书廷  
【摘要】: 正极材料作为锂离子电池的重要组成部分已经成为制约其大规模推广应用的瓶颈,是进一步提高电池性能、降低成本的关键。正极材料的性能与合成方法有极大关系,采用传统高温固相法能耗大、周期长,所合成正极材料晶粒和颗粒的可调控性差,团聚现象比较严重,导致性能较差且不稳定。近年来,针对这些问题,虽然进行了广泛的研究,但一直没有得到很好的解决,所以寻找合适的合成技术及方法来合成性能优良、成本低廉的正极材料是目前研究的热点、难点之一。 本论文根据锂离子电池正极材料的半导体特性及其各种物理化学性能要求,采用聚丙烯酰胺(PAM)为模板剂,结合微波或固相加热技术成功合成了LiNi_xCO_(1-x)O_2、LiMn_2O_4和LiFePO_4系列正极材料,进行了系统的物理表征和性能测试,并针对各种材料的弱点对它们进行了修饰改性研究,该合成方法此前未见报道。在成功完成实验室小试的前提下,工业化中试也顺利进行,优化了各种中试生产工艺参数,中试产品完全达到电池性能设计要求,具备产业化生产条件。本文在证明该新方法合成锂电正极材料通用性的同时,通过对材料的合成机理及修饰改性机理的初步探索,提出了较为科学的理论解释。该方法不仅为成功合成锂电正极材料提供了一个可靠、节能、高效、实用的合成技术,而且为中低温区合成具有结构功能性非整比金属氧化物盐材料(代替传统纯固相合成方法)提供了一条新思路,对丰富固相合成调控基础理论,深入研究并揭示固体结构合成奥秘有一定价值。 本论文的主要内容包括以下几个方面: 1.三元系LiNi_xCo_(1-x)O_2层状化合物的合成及改性研究 深入探索以PAM为模板剂,采用微波-固相复合加热技术合成三元系LiNi_xCo_(1-x)O_2正极材料的规律,并对该材料的合成工艺条件进行了系统地研究。该方法有效降低了镍钴复合材料的合成难度,在不影响材料循环性能的前提下,明显提高了材料的放电比容量,同时达到了降低成本的目的。为了进一步提高材料的快速充放电能力,满足更广泛的应用需求,对LiNi_(0.5)Co_(0.5)O_2材料进行了体相掺杂稀土元素Nd的改性研究,实验表明适量的掺杂可以有效抑制大电流充放电导致的材料性能衰减现象。同时,采用两种包覆方法对材料进行表面修饰改性研究,实验表明,用沉淀法在材料表面包覆ZnO可以有效形成均匀的包覆层,避免了正极材料和有机电解液之间的恶性作用,能显著提高材料的循环稳定性及热稳定性,最后,对其改性机理进行了初步探讨。 2.尖晶石LiMn_2O_4材料的合成及改性研究 研究了采用微波-PAM模板法合成尖晶石结构锰酸锂材料的合成条件及规律,发现该方法合成的材料相纯度高,且体相缺陷分布合理,粒度分布较为均匀,材料颗粒呈多孔状的类球形,材料表面的电化学活性点较多,有利于锂离子的脱出和嵌入。电化学测试结果表明,与采用普通固相法制备的锰酸锂材料相比,模板-微波法制备的锰酸锂材料的循环性能得到明显提高,循环50次后,容量保持率提高到90%。针对循环过程中LiMn_2O_4材料发生相变导致容量衰减的现象,对其进行了稀土掺杂改性。考察了不同稀土元素不同掺杂量对材料结构和性能的影响规律,并提出了可能的改性机理。另外,以醋酸锂和醋酸钴为主要原料,采用聚丙烯酰胺作为模板剂,在LiMn_2O_4材料表面包覆LiCoO_2和Co_3O_4,来减少正极材料与电解液的接触,降低Mn的溶解,并对包覆后材料的结构和电化学等性能进行了研究。测试结果表明,达到了良好的改性效果。将本方法深入研究将对指导锰酸锂材料的改性研究起到推动作用。 3.新型安全性橄榄石LiFePO_4材料的合成及掺杂改性研究 探索了以PAM为模板剂采用模板.高温固相烧结法合成安全廉价复合型LiFePO_4/C材料的合成规律。并将该材料与传统固相烧结法合成的纯LiFePO_4材料及直接掺碳黑的非复合型LiFePO_4材料进行了对比。同时,还对其它模板剂如蔗糖和酚醛树脂的使用效果进行了研究。电化学性能和物化性能测试结果表明:三种高分子材料不仅起到模板调控的作用,而且它们分解残留的复合碳弥散地分布在体相内部,有效提高了LiFePO_4材料的导电性能。其中,以PAM改性磷酸亚铁锂的电化学性能最优,材料具备良好的倍率放电性能和循环稳定性,并对PAM模板合成材料的最佳碳含量进行了优化。采用XRD、XPS和Mossbauer谱研究了材料的充放电机理,充分解释了材料安全性好的根本原因。另外,系统研究了不同元素掺杂的改性材料LiFe_(0.99)M_(0.01)PO_4/C(M=Nd,Co,Cr,Mn)的掺杂规律及性能,材料的电导率均有5-7个数量级的提高。其中,LiFe_(0.99)Nd_(0.01)PO_4/C材料具有较大的晶胞参数,相对较畅通的锂离子扩散通道的Fe位掺杂,放电容量有较大提高,达到了良好的改性效果。 4.合成机理探讨 通过TG、IR和XRD等测试技术,对材料合成过程进行详细分析与讨论,初步提出PAM模板剂和微波在合成过程中的作用机理。PAM模板剂在锂电正极材料合成中的多重作用(充分分散原材料、晶粒生长调控和提高体相导电性)得到了证实,此前未见有相关报道。提出PAM可以通过键合或静电作用,使原材料进行充分混合,降低反应活化能,同时,与微波加热技术相结合后,有利于晶核的形成。加热后期裂解成的C可以有效地调控和控制材料的微观形貌及晶向结构,并改善材料的导电性能。 5.中试生产技术研究及结果分析 通过采用模板-高温固相合成技术对磷酸亚铁锂的中试生产研究,确定了进行规模化生产所需要的一些关键设备及工艺技术。所合成的材料粒度分布均匀且有较大的比表面积,并且完全满足各种电池性能指标要求,达到了实际应用标准,充分说明了该方法在锂离子电池正极材料合成上的可行性。通过中试生产还确定了磷酸亚铁锂产品的技术参数及指标,为今后规模化生产提供了廉价、高效、可调控的锂离子电池正极材料通用合成技术,具有广泛的理论和实用价值。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.1

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【引证文献】
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3 王凤;掺杂型尖晶石LiMn_2O_4的试验研究及合成[D];昆明理工大学;2006年
4 李若愚;锂离子电池用正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.2)O_2的研究[D];中南大学;2005年
5 王雷;新型锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与改性研究[D];天津大学;2006年
6 张花蓉;锂离子电池用含镍、锰正极材料的湿化学法合成研究[D];四川大学;2003年
7 姚耀春;锂离子电池正极材料锂锰氧的研制[D];昆明理工大学;2003年
8 张仁刚;掺杂-包覆对提高LiMn_2O_4正极材料性能的研究[D];武汉理工大学;2002年
9 黄玉代;低热固相法合成锂离子电池Li-Mn-O系正极材料及其性能表征[D];新疆大学;2004年
10 严立云;锂离子电池正极材料LiMn_2O_4的合成与表征[D];吉林大学;2005年
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