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锂离子电池高镍正极材料的合成、改性及电化学性能研究

王韵珂  
【摘要】:科技的进步促使锂离子电池(LIBs)快速发展,其应用范围不再局限于小型的信息家电产业,更在轨道交通、航空航天和人工智能等大型工业生产中不断扩大应用规模。高能量密度、高功率密度、高安全性能和长循环寿命的存储系统已成为储能研究领域主要焦点。具有较高理论比容量(280 m Ah g~(-1))的“高镍三元”正极材料LiNi_xCo_yAl_(1-x-y)O_2(NCA)和LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2(NCM)(x≥0.8)是实现高能量密度电池的首选材料。但其也存在着循环稳定性差、首次库伦效率低和锂离子扩散速率慢等问题,这一直是制约其推广的主要原因。本论文从材料制备和改性两方面对高镍三元正极电化学性能提升进行了研究。通过共沉淀法制备了不同Co-Al比高镍Ni_(0.9)Co_xAl_(0.1-x)(OH)_2(x=0.00,0.02,0.05,0.07,0.10)材料,探究了不同Co-Al比对正极材料结构和电化学性能的影响。结果表明:不同Co-Al比的材料均为层状结构,随着Co含量的增加,正极材料的结晶化程度增加,且Li~+/Ni~(2+)混排程度降低。当Co含量为0.02时,材料电化学性能较优,10C充放电比容量为125 m Ah g~(-1)。在上述研究基础上,采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂和保护剂辅助合成Ni_(0.9)Co_(0.02)Al_(0.08)(OH)_2材料。加入PVP和延长合成时间可以促进前驱体一次颗粒增大,进一步提高材料的电化学性能。在pH=10,添加1%PVP搅拌15 h的最佳工艺条件下得到的LiNi_(0.9)Co_(0.02)Al_(0.08)O_2材料在5C和10C下充放电容量分别为141和129 m Ah g~(-1),在0.2C下循环50圈后,容量保持率为87%;经过大倍率循环后,材料的放电比容量占首次放电比容量的93%。不改变初始材料物理和化学性质,通过简单的机械研磨,分别将Cr_2O_5,V_2O_5和MoO_3三种不同过渡金属高价氧化物与商业化高镍NCA/NCM共混,得到复合材料,对比分析了材料共混对两者形貌、晶体结构以及电化学性能的影响,探究共混比例对复合电极物理特性及Li~+脱嵌动力学的影响机制。结果表明,高容量和循环稳定性良好的Cr_2O_5修饰NCA,增加了Li~+传输通道,显著提高了NCA的首次库伦效率和循环稳定性;高容量V_2O_5虽然导电性优异,但产生的相变使得电池循环性能提升并不明显;而容量更高的MoO_3由于化学性质活泼,易与电解液反应,反而对NCA电化学性能的发挥产生抑制作用。电极各组分之间的配合可以影响电池的性能。从此方面考虑,研究了正极中重要的组成部分-导电剂。系统探究了三种商业化碳导电剂的形貌、结晶度及石墨化程度对电化学性能的影响。通过将点状的导电炭黑(SP)分别与纤维状的气相生长碳纤维(VGCF)和片状的石墨(KS-6)相混合得到不同比例的二元复合导电剂SP/VGCF和SP/KS-6。将其与NCA混合制备电极材料,讨论了不同导电剂之间的作用机理。研究发现,SP电极能更好的保有电解液;少量VGCF在电极中构成稳定的支撑碳骨架,保证和缩短了Li~+迁移通道,避免了颗粒形成“孤岛”,抑制了极化,提高了电极的稳定性。以四方锐钛矿和金红石相的混合物原料TiO_2(P25)快速热还原制备亚氧化态相Ti_4O_7,详细研究了Ti_4O_7结构、形貌及其导电性。将其按照不同比例添加到导电炭黑SP中,循环伏安和阻抗测试结果表明,由于Ti_4O_7的嵌锂性能不佳,大量的Ti_4O_7使得循环性能变差。但适量Ti_4O_7(0.5%)使NCA的倍率特性大大提高。在10C下,首次放电比容量达到158.9 m Ah g~(-1)。


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