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富锂锰基层状正极材料的制备及改性研究

【摘要】:锂离子二次电池由于具有高电压、高能量密度、高功率密度、循环寿命长等优点,在国民经济和军事领域得到了广泛的应用。富锂层状正极材料由于其较高的可逆比容量,被认为是最具潜力的正极材料之一,但存在首次库伦效率较低、循环稳定性差、倍率性能不高、放电电压衰减较快等问题,影响了其进一步的应用。论文针对目前富锂层状正极材料存在的问题,采用水热法制备Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2正极材料,通过调控材料的形貌、组成和结构,结合表面改性处理,改善富锂层状正极材料的循环稳定性和倍率性能,并在一定程度上抑制其放电电压衰减较快的问题。论文首先系统研究了水热反应条件对前驱体产物形貌的影响。结果表明:通过调整水热反应的溶剂、沉淀剂、反应时间等因素,能够有效调控前驱体MCO_3的形貌、大小等,经高温煅烧后可调控得到不同形貌和结构的富锂层状正极材料Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2。以尿素为沉淀剂,在铵盐溶液中可得到纺锤形前驱体。混锂烧结后材料较为完整地保持前驱体形貌,形成具有良好结晶性和层状规整度的富锂层状正极材料,该纺锤形正极材料具有较优的循环稳定性。在上述基础上,论文研究了溶剂铵盐溶液和水热反应温度对纺锤形富锂材料性能的影响。其中,通过醋酸铵溶液制备的纺锤形富锂材料50个循环后容量稳定在232mAh·g~(-1)左右,表现出良好的循环稳定性,这主要是由于纺锤形富锂材料(110)晶面的优势取向生长造成的。水热反应温度是影响纺锤形富锂正极材料性能的重要因素。以220℃水热反应制备的纺锤形富锂材料在0.2C、0.5C、1C、2C和5C倍率下放电容量分别为260mAh·g~(-1)、224mAh·g~(-1)、201mAh·g~(-1)、166mAh·g~(-1)、92mAh·g~(-1),体现出较优的倍率性能和循环稳定性。在纺锤形富锂材料合成的基础上,采用尖晶石相材料与富锂层状材料共混、表面尖晶石改性富锂层状材料两种方法改善Li_(1.2)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_2富锂层状正极材料的电化学性能。系统研究了工艺条件对材料性能的影响。结果表明,表面尖晶石改性和尖晶石相镍锰酸锂/富锂共混改性都能在一定程度改善正极材料的循环稳定性。在尖晶石材料和富锂层状材料间协同效应的作用下,表面尖晶石改性方法具有更好的改善效果。在这种改性方法中,750℃热处理能够维持富锂材料的形貌,材料容量稳定在220mAh·g~(-1),具有较好的循环稳定性。当锰盐量为10%~13%时,尖晶石表面改性正极材料具有220~230mAh·g~(-1)可逆循环容量,电压降仅为0.3V,具有较高的容量和较优的循环稳定性。

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