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核壳结构富锂锰基层状正极材料的研究

【摘要】:随着便携式电子设备、电动汽车和电网储存等需求的增长,锂离子电池受到越来越多的关注。尽管目前已商品化的锂离子电池的能量密度已达到150-200Wh/kg,但受到传统正极材料和碳负极材料自身理论储锂容量极限的制约,很难进一步提高其能量密度。因此,正极材料的性能正在成为锂离子电池容量进一步提升的瓶颈。富锂锰基层状正极材料因具有高比容量( 200 mAh g-1)和高能量密度(300Whkg-1),引起了研究者浓厚的兴趣。然而它也存在较大的首次不可逆容量损失、倍率性能较差和长周期循环性能差等问题。本文以富锂材料Li-Mn-Ni-Co-O体系为研究对象,针对其存在的不足,提出以Lr快离子导体表面修饰富锂材料,形成核壳结构复合正极材料。该材料的优势在于,抑制活性材料与电解液反应和稳定层状结构的同时提高了锂离子导电能力。(1)LiMn2O4和Li-Mn-Ni-Co-O体系同为锰基正极材料,都存在与电解液反应而导致锰溶解和循环性能差的问题。因此,我们采用锰酸锶镧(La-Sr-Mn-O, LSM)和钛酸镧锂(Li-La-Ti-O, LLT)锂离子/电子良导体包覆尖晶石LiMn2O4正极材料,探讨了表面修饰对LiMn2O4正极材料电化学性能影响及其作用机制。结果表明LSM和LLT包覆层较好的改善了LiMn2O4的电化学性能,尤其是高温下的循环稳定性和倍率性能。这主要是因为锂离子/电子良导体包覆层降低了电解液/电极界面的电荷转移电阻,同时抑制发生在该界面的副反应。说明采用快离子导体包覆富锂锰基层状正极材料,制备出电化学性能优异的核壳结构正极材料是可行的。(2)以NaOH和NH3-H2O为沉淀剂,采用共沉淀法成功合成富锂锰基层状正极材料。重点探讨了pH值、热处理温度、不同镍钻锰比对其结构、形貌以及电化学性能的影响。结果表明,将pH值控制在11左右以及在450℃和900℃下的两步烧结法是最佳合成条件。Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2正极材料结晶度高,颗粒尺寸分布均匀。在0.1 C倍率下首次放电比容量为247.9 mAh g-1,首次库仑效率为75.1%。在1 C倍率下首次放电比容量为236.2mAh g-1,经过50次充放电循环后容量保持率达88.3%,展现出较好的循环稳定性。(3)采用简单的合成方法,以Li0.34La0.51TiO3(LLT)、(Ta1/2Li1/2)0.95Sr0.05TiO3(LST)和Al掺杂Li7La3Zr2O12(LAZ)快离子导体对Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2(LM)正极材料进行表面修饰,形成LM@LLT、LM@LST和LM@LAZ核壳结构复合正极材料。从材料的结构、形貌、电化学性能等方面入手,考察该核壳结构复合材料的优势。结果显示,LM@LLT的首次放电比容量为242.5 mAh g-1,首次库仑效率为78.3%,相比LM已有较大提高。其1C倍率放电比容量为225.6 mAh g-1,经过55次循环后容量衰减至217.4 mAh g-1,容量保持率为96.4%,显示出较好的循环稳定性。LM@LST样品的首次放电比容量为267.6 mAhg-1,首次库仑效率达83.6%。在0.1 C倍率下的经过55次循环后,容量保持率达95.3%。5000C热处理的LM@LAZ复合材料的首次放电比容量为258.5 mAhg-1,首次库仑效率为80.7%。在1C倍率下进行循环测试,经过100次循环后放电比容量为234.3 mAhg-1,容量保持率为94.1%,显示出卓越的循环稳定性。循环伏安和电化学阻抗结果表明,LLT、LST和LAZ快离子导体外壳极大的提高了Li+的扩散速率,抑制了电解液与活性材料之间的副反应,进而提高了材料的首次库仑效率和循环稳定性。

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