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富锂锰基正极材料的表面改性及其性能研究

【摘要】:富锂锰基正极材料由于其较高的比容量(250 mAh·g-1),有望用于高比能量的锂离子电池(350 Wh·kg-1)。其高比容量来自于Li2MnO3组分活化和晶格氧参与的电荷补偿反应,但这也导致材料表面结构和成分容易发生变化;进而造成富锂锰基正极材料的首次库仑效率低、倍率性能差和循环过程中电压和容量衰减严重等问题。本论文使用了三种不同的材料并配以合适的方法对富锂锰基正极材料进行了表面改性,来提升材料的倍率性能和循环寿命。具体内容如下:首先,本论文采用气流破碎、高压均质混合分散和喷雾干燥的方法在富锂锰基正极材料Li1.84Mn0.516Ni0.15Co0.15O2二次颗粒表面构筑致密碳纳米管导电网络,且内部一次颗粒之间均匀分布着碳纳米管。在5C倍率下,碳纳米管改性后的富锂锰基正极放电比容量为141.4mAh·g-1;与之对比,碳纳米管仅作为导电添加剂时的富锂锰基正极的放电比容量为110.7mAh·g-1。接着在1C下充放电循环100次后,碳纳米管改性的富锂锰基正极的比容量保持在160.2 mAh·g-1,而碳纳米管作为导电剂的富锂锰基正极的比容量仅为133.7mAh·g-1。通过分析循环前后的电化学阻抗谱表明,材料表面致密的碳纳米管导电网络促进了电极与电解液之间的电荷转移,从而缓解了长循环过程中材料表面所发生的严重极化问题。其次,本论文使用高压均质混合和喷雾干燥方法将氧化石墨烯完整地包覆在富锂锰基正极材料Li1.184Mn0.516Ni0.15Co0.15O2表面,然后依次对其进行抗坏血酸处理和空气气氛热处理得到了表面包覆有尖晶石和石墨烯薄层的富锂锰基正极材料。石墨烯的超高电导特性促进了表面电子转移,表面尖晶石结构的三维孔道则有利于锂离子的扩散。经过改性的富锂锰基正极在5C倍率下具有154.3 mAh·g-1的比容量;相比之下,未经改性的富锂锰基正极的放电比容量仅为105.6mAh·g-1。在1C倍率下循环200次后,经过改性的富锂锰基正极的容量保持率为84.2%,高于未改性的富锂锰基正极(77.0%)。此外,通过电化学原位XRD研究了改性的富锂锰基正极材料在锂离子脱嵌时的结构变化表明,材料表面结构稳定性的增加与表面氧析出得到抑制有关。最后,本论文将Li1.18Mn0.55Ni0.18Co0.09O2微米级颗粒进行高压气流破碎,得到组成成分和结构没有变化的亚微米级颗粒。对比研究发现,亚微米级颗粒由于缩短了 Li+在颗粒内部的传输距离,在大电流下具有更好的倍率性能;但是亚微米级颗粒与电解液过多的直接接触也造成了电极/电解液界面副反应加剧,进而导致循环性能降低。使用氧化铈(CeO2)来包覆富锂锰基正极材料,能够提升材料的可逆比容量和循环性能。在此基础上,本文提出了 Ce02包覆微米和亚微米级颗粒共混的富锂锰基正极材料的工程策略。亚微米级颗粒混入微米级球形颗粒空隙中,提升了材料整体的振实密度而贡献额外容量。CeO2包覆微米和亚微米级颗粒共混的富锂锰基正极材料在1C倍率下放电比容量高达191.8mAh·g-1,循环200次后其容量保持率在82.8%。对循环前后的富锂锰基正极的表面成分进行分析,说明CeO2包覆层能够通过抑制电极/电解液界面副反应来增强材料的循环稳定性。

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