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富锂锰基正极材料的制备与性能研究

【摘要】:在锂离子电池中,正极材料的成本占有最大的比重,约为40%左右。因此降低正极的成本将会明显压低锂离子电池整体的成本。第一代的锂离子电池LiCoO_2全部采用钴作为过渡金属元素,成本高且对环境污染严重。富锂锰基正极材料不仅用资源丰富且成本更低的锰和镍来替代钴,同时降低了毒性,达到环境友好的目的。此外,富锂锰基材料还具有比容量高,循环性能好等优点,是第二代锂离子电池正极材料的有力竞争者之一。然而富锂锰基正极材料首次充放电效率低、倍率性能差以及振实密度不及LiCoO_2等问题有待解决。针对以上问题,本文采用共沉淀法合成球形的碳酸盐前驱体(Ni_(0.15)Co_(0.15)Mn_(0.7))CO_3来提高材料的振实密度,然后将其与氢氧化锂混合后采用固相法烧结得到正极材料Li_(1.8)(Ni_(0.15)Co0.15Mn0.70)O_2.675,最后采用溶胶-凝胶法在正极材料表面包覆一层Li2SiO3,通过结构,形貌以及电化学性能的表征和测试,研究包覆层对正极材料电化学性能的改善作用。本文的主要研究内容如下:(1).利用共沉淀法合成富锂锰基正极材料的前驱体(Ni_(0.15)Co_(0.15)Mn_(0.7))CO_3,考察不同沉淀剂与络合剂组合对前驱体形貌、元素比例和分布以及电化学性能的影响,研究结果表明,采用Na2CO3为沉淀剂,氨水为络合剂,使用NaOH控制pH值为8.5可以合成出形貌为完整球形,元素比例精确且在球体内分布均匀的前驱体,为合成正极材料打下良好基础。(2).采用固相法制备富锂锰基正极材料Li_(1.8)(Ni_(0.15)Co0.15Mn0.70)O_2.675,研究在800℃,850℃和900℃烧结温度下,材料的结构、阳离子有序度、形貌、元素分布以及电化学性能的影响。研究结果表明,在850℃烧结的样品具有较高的结晶度,颗粒之间存在较少的碎屑,以及最高的放电容量和突出的倍率性能。(3).采用溶胶-凝胶法在富锂锰基正极材料Li_(1.8)(Ni_(0.15)Co_(0.15)Mn_(0.7))O_(2.675)表面包覆一层Li2SiO3,考察包覆层以及包覆量对材料结构、形貌以及电化学性能的影响。研究结果表明,当Li2SiO3包覆量为1.5wt%时,材料可以保留原有的晶体结构和球形形貌,抑制材料与电解液发生反应,提高Li+扩散速率,循环性能和倍率性能也有较大提升。

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