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《湖南大学》 2003年
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锂离子电池正极材料LiNi_(1-x)M_xO_2(M=Co,Al,Mn)的研究

汤宏伟  
【摘要】: 随着能源与环境问题的日益突出以及现代科技的高速发展,对电池性能提出了更高的要求。锂离子电池以其工作电压高、循环寿命长、能量密度高、无环境污染等优势而成为人们的首选。 正极材料对锂离子电池的性能影响很大。目前商品化的锂离子电池多采用LiCoO_2作为正极材料,但钴价格昂贵,对环境污染较大且资源有限。LiMn_2O_4价格低廉,易于制备。锰的资源丰富,对环境无污染,但LiMn_2O_4的容量较低,循环性较差,且高温下容量衰减严重。镍的资源丰富,LiNiO_2价格低廉,比容量高,对环境无污染,但也存在合成困难、热稳定性差、结构不稳定引起容量衰减等问题。我们在合成LiCoO_2和LiNiO_2的基础上,对LiNi_(1-x)M_xO_2(M=Co,Al,Mn)正极材料进行了研究。 采用固相配位反应法合成了LiCoO_2,通过差热分析(DTA)和热重(TG)法分析了LiCoO_2的合成过程。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)表征LiCoO_2粉体的相结构、形貌和大小。探讨了反应条件对产物结构的影响。实验结果表明,反应时间和反应温度对产物结构有很大的影响,固相配位反应法在合成温度、煅烧时间、LiCoO_2的粒径大小及分布等方面均优于传统的高温固相反应合成法。 采用高温固相法合成了LiNiO_2,XRD确定了合成物的结构,用SEM表征LiNiO_2粉体的形貌。探讨了反应条件:包括原材料、Li/Ni摩尔比、烧结气氛、温度和反应时间对产物结构和性能的影响,从而优化了LiNiO_2的合成工艺。在空气中合成只能得到Li_2Ni_8O_(10)相,在O_2中才能得到LiNiO_2相,所得LiNiO_2的电化学性能明显优于所得Li_2Ni_8O_(10)。合成电化学性能良好的LiNiO_2需要稍过量的锂和在氧气中600℃恒温3h,720℃恒温6h,合成过程中得预热处理,解决了低温下反应速度慢,高温下易于烧结而难于控制产物粒径的问题。分析了采用固相配位法合成LiNiO_2失败的原因。 选择球形Ni(OH)_2为镍源,使产物颗粒仍保持球形结构,提高其比充放电容量。选择LiNiO_3作锂源,因其在低温下分解产生的NO_2和O_2具有强氧化性,在合成过程中锂需要稍过量。选用CoO为钴源。在空气中300℃恒温4h,800℃恒温8h,合成了LiNi_(1-x)Co_xO_2。XRD分析表明,合成的LiNi_(1-x)Co_xO_2粉末结晶良好, 具有规整的a一NaFeOZ层状结构。SEM分析表明粉末颗粒呈球形,粒径约为1 oum。 探讨了反应条件:包括原材料、Li汹i摩尔比、烧结温度、反应时间对产物结构 和电化学性能的影响,从而优化了LINi 1 .xCoxOZ的合成工艺。随着C。的增加, LINi,_xCoxOZ的不可逆容量减小,初始容量有所下降,但循环性能改善。利用恒 电流间歇滴定法研究了LINi,一厂oxo:中的铿离子扩散系数。结果表明掺杂C。可 以提高Li+的扩散系数,还能增强结构的稳定性。 采用球形Ni(OH)2、LINO3和AI(OH)3为原料,在空气气中700oC恒温sh合 成了LINil_、AlxOZ。XRD分析表明合成的LINil_xAlxOZ粉末结晶良好,具有规整 的a一NaFeOZ层状结构,随着Al固溶量的增加,晶胞参数发生变化,a轴缩短, c/a比值增大,材料的层状结构更加明显。SEM分析表明粉末颗粒呈球形。探讨 了反应条件对产物结构和性能的影响。Al掺杂能够抑制材料中的铿缺位,降低 材料合成过程中对氧气的依赖程度。充放l一匕测试表明,合成的LINi!_xAlxO:具有 优良的电化学性能。 采用球形Ni(OH)2、LINO3和MnO:为原料,在空气中850oC恒温sh,合成 了LINi】_xMnxOZ。XRn分析表明合成的LINi._xMnxO:粉末结晶良好,具有规整 的a一NaFe02层状结构,sEM分析表明粉末颗粒呈球形。探讨了反应条件对产物 结构的影响。要合成电化学性能良好的LINil.xMn、02需要稍过量的铿,随着Mn 的增加,LINi._、MnxO:系列材料的初始容量有所下降,但循环性能改善。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TM911

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