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锂离子电池富锂锰基正极材料的绿色制备及其改性研究

【摘要】:富锂锰基正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(0x1, M=Ni, Co, Mn等)的高比容量(200~300mAh/g)和工作电压(3.8V),使其具有高的能量密度,成为动力汽车用锂离子电池正极材料的理想之选。本文以乳酸钠为络合剂合成MCO3(M=Mn,Ni,Co)前驱体,将MCO3前驱体和锂源(LiOH·H2O)烧结制得0.6Li2MnO3·0.4Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2(Li1.2[Mn0.52Ni0.2Co0.08]O2)正极材料。系统地优化了合成前驱体及烧结材料时的工艺参数,并通过包覆改性来提高材料的电化学性能。 (1)采用共沉淀法合成MCO3前驱体。当反应温度为60℃、共沉淀时间为16h时,合成的前驱体球形度完整,颗粒尺寸分布集中,由其制备的正极材料的电化学性能最优;在此条件下采用预烧前驱体的方法,即先将MCO3转为氧化物,再与锂源混合制得正极材料,发现氧化物前驱体及制备的正极材料的颗粒表面生成了更多的细小晶粒,提高了正极材料的利用率,改善了材料的电化学性能。 (2)制备Li1.2[Mn0.52-0.5xNi0.20-0.5xCo0.08+x]O2(x=0,0.02,0.04,0.06)正极材料。随着x值的增大,材料的层状结构更加完整,阳离子混排度下降。x=0.02时,材料的循环性能明显提升,在2.0~4.8V,0.5C下100次循环后容量保持率高达98.85%;提高烧结温度发现:950℃制备的正极材料的阳离子混排度进一步降低,颗粒结晶性更好,具有更高的倍率和循环性能。 (3)在以上最优比例和烧结温度下,采用sol-gel法在正极材料表面包覆Li2TiO3。SEM图可看出包覆Li2TiO3后颗粒表面有一层絮状包覆物质。当合成温度为650℃,包覆量为3wt.%时材料的首次库伦效率、倍率及循环性能明显提高。循环伏安测试表明:包覆Li2TiO3后,材料由层状结构向尖晶石状的转变程度明显减小,结构更加稳定。交流阻抗分析发现,包覆后材料的阻抗值明显下降。

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