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锂离子电池正极材料用球形和非球形Li(Ni_xCo_yMn_z)O_2的合成及性能研究

张解放  
【摘要】:锂离子电池具有高电压、高容量、无公害、无记忆效应、自放电少、循环性能优良等诸多优点,因而被认为是性能卓越的新一代绿色高能电池。正极材料是锂离子电池中的重要组成部分,因而正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能。三元正极材料Li(Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3))O_2具有以下优点:1.可逆容量高;2.循环性能好;3.安全性高;4.对环境无污染等。因而有望成为取代正极材料LiCoO_2的最佳候选材料,是目前研究的热点之一。三元正极材料Li(Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3))O_2中的锰、钴、镍三种元素具有不同的性质,如果三种元素按照不同的比例来合成三元材料,则所制备的正极材料会显示出各自不同的特点,比如正极材料Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1))O_2,因为镍的含量增高,则表现出较高的容量和较低的成本,但是安全性能和循环性能偏低。这类正极材料适用于小型的用电器。基于上述思路,本论文针对三元系正极材料中三种元素的不同比例展开研究,并用所制备的材料与目前商用的材料进行对比,进而分析了材料的结构对电池性能的影响,主要研究内容和结论如下: 1、本论文首先综述了目前锂离子电池三元正极材料的研究进展,主要针对三元材料的元素构成和结构特点及存在的问题进行了充分的调研。 2、本章主要讨论了应用二次干燥共沉淀法制备Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_91/3)(OH)_2的前驱体性能,应用共沉淀法合成出三元材料非球形Li(Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3))O_2,用此材料和商用球形三元材料Li(Ni_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3))O_2进行了对比。 3、采用共沉淀二次干燥法合成制备出正极材料Li(Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3))O_2,探讨前驱体的制备温度和反应时间对三元材料Li(Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3))O_2的影响。由于钴和锰的含量大幅提高,钴含量的增多使二维层状结构更加稳定,锰含量的增多提升了安全性能,不仅提高了循环性能,而且大大增强了使用的安全性,也兼顾了高容量,但是钴的成本较高,适用于动力电源。 4、采用共沉淀二次干燥法合成制备出三元正极材料Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1))O_2。由于提高了镍的含量因而大大提升材料的比容量,降低了钴的含量又能降低材料成本,此种材料具有比容量高,循环性能优异,高温储存性能好等特点。与商用球形的材料相比,非球形材料具有更高的首次放电效率,容量更高,且电压平台更长。这主要得益于非球形Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1))O_2锂层中阳离子的混排较小,对材料的首次充放电效率及容量和电压平台影响更小,因此以Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1))O_2为正极的锂离子电池主要应用于小型家用电器及大型储能装置。 Li(Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3))O_2,探讨前驱体的制备温度和反应时间对三元材料Li(Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3))O_2的影响。由于钴和锰的含量大幅提高,钴含量的增多使二维层状结构更加稳定,但是钴的成本较高,适用于动力电源。5、采用共沉淀二次干燥法合成制备出正极材料Li(Ni_(0.4)Co_(0.2)Mn_90.4))O_2,并通过XRD和充放电等手段对材料的结构和性能进行了充分的表征。由于锰含量的增多降低了电池的成本,提高了材料的循环性能,而且大大增强了电池使用的安全性,也兼顾了高容量。研究结果可为该材料的实用化提供指导,既有理论意义又有应用价值。


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