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锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成与改性

2020-12-17阅读(665)

锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成与改性

论文摘要

层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2被认为是集LiNiO2、LiCoO2和LiMn2O4三种材料优点于一身的优异正极材料,其具有高容量、良好的热稳定性和化学稳定性以及比主流正极材料LiCoO2更低廉的成本、更小的毒性等优点,是替代LiCoO2的主要正极材料之一。本文分别用共沉淀法和固相法合成了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,并通过ZnO包覆、过量锂的掺杂对共沉淀产物进行改性以及自制纳米棒α-MnO2为Mn源改善固相合成工艺,并得到良好的结果。利用X-射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、场致发射扫描电子显微镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、电感耦合等离子体发射光谱、电化学交流阻抗（EIS）以及充放电测试仪对所合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及共沉淀法改性产物进行了表征。系统研究了ZnO包覆、锂掺杂和不同原材料固相合成对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2组成、形貌、结构以及电化学性能的影响,并通过表征结果深入分析总结了各方面因素和材料电化学性能之间的关系。第1章介绍了LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的研究进展和意义。对材料结构、合成方法、改性方法以及应用领域作出概括的同时,对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的发展作出了展望。第2章主要介绍了本文所用仪器的原理和应用领域,并对电极的制备和电池的组装过程作了详细介绍。第3章研究了ZnO包覆对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料结构、表面组成、形貌以及电化学性能的影响。XRD结果显示,初始产物和ZnO包覆产物均具有纯相六方α-NaFeO2结构,包覆措施使产物晶格参数发生变化。从SEM和TEM图像可以得出ZnO成膜状（20 nm）包覆在初始产物表面,并使材料形貌发生改变。2.5-4.3 V、70 mA·g-1条件下恒流充放电测试结果表明,ZnO膜在降低LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2初始容量的同时,显著的改进了其循环性能。EIS分析显示,初始容量降低的原因在于ZnO膜为惰性物质,增加了表面膜阻抗。第4章研究了锂掺杂产物Li8/7(Ni1/3Co1/3Mn1/3)6/7OO2的化学组成、结构、形貌及其高倍率电化学性能。XPS结果表明,与LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2不同,该材料中的Ni2+被转换为Ni3+。XRD结果显示,Li8/7(Ni1/3Co1/3Mn1/3)6/7OO2具有高度有序的层状结构。透射电子显微镜图像说明产物是由纳米级和亚微米级颗粒组成,平均粒径约为0.15μm。该材料在1000 mA·g-1和2000 mA·g-1 （2.5-4.5 V）高倍率条件下分别进行恒流充放电并得到优异的初始容量和循环性能,加上其分别为6分钟和3分钟左右的平均满充时间,解决了锂离子动力电池实际应用中的一个主要问题,是一种优异的锂离子动力电池正极材料。第5章研究了所购买分析纯MnO2和自制纳米棒MnO2作为原材料以及煅烧温度对固相合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的影响,并对所合成产物进行了高倍率恒流充放电测试。XRD结果显示,以所购买分析纯MnO2为Mn源合成所得产物为含杂质NiO的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,以纳米棒MnO2为锰源和NiO、Co2O3、Li2CO3混合在850-900℃温度下进行煅烧可得纯相LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。该材料在2.5-4.5 V、1000 mA·g-1条件下进行恒流充放电得到较好的初始容量和循环性能同时,同样具有较短的满充时间（6分钟）,说明以纳米棒MnO2为Mn源的合成工艺有利于促进合成适合锂离子动力电池的纯相LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 前言
  • 1/3Co1/3Mn1/302 材料的结构'>1.2 LiNi1/3Co1/3Mn1/302材料的结构
  • 1.3 合成方法
  • 1.3.1 固相法
  • 1.3.2 共沉淀法
  • 1.3.3 溶胶-凝胶法
  • 1.3.4 超声喷雾热分解法
  • 1.3.5 水热法
  • 1/3Co1/3Mn1/302 的改性研究'>1.4 LiNi1/3Co1/3Mn1/302的改性研究
  • 1/3Mn1/3Co1/302 的发展趋势'>1.5 LiNi1/3Mn1/3Co1/302的发展趋势
  • 1.6 本课题选题依据和研究内容
  • 第2章 仪器试剂及电池的组装过程
  • 2.1 X-射线粉晶衍射仪
  • 2.2 透射电子显微镜
  • 2.3 扫描电子显微镜
  • 2.4 X-射线光电子能谱
  • 2.5 交流阻抗谱
  • 2.6 电感耦合等离子体原子发射光谱
  • 2.7 电极的制备及电池组装过程
  • 2.8 主要化学试剂
  • 1/3Mn1/3Co1/302及其ZnO 包覆改性性能'>第3章 共沉淀法合成LiNi1/3Mn1/3Co1/302及其ZnO 包覆改性性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 材料的制备与表征
  • 3.2.1 材料的制备
  • 3.2.2 材料的表征
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 样品的结构分析
  • 3.3.2 样品的形貌分析
  • 3.3.2.1 样品的SEM 图像分析
  • 3.3.2.2 样品的TEM 图像分析
  • 3.3.3 样品的表面组分分析
  • 3.3.4 样品的电化学性能分析
  • 3.3.4.1 样品的初始充放电曲线分析
  • 3.3.4.2 样品的阻抗分析
  • 3.3.4.3 样品的放电循环性能分析
  • 3.4 结论
  • 1+x(Ni1/3Co1/3Mn1/3)1-x02的高倍率电化学性质研究'>第4章 正极材料Li1+x(Ni1/3Co1/3Mn1/3)1-x02的高倍率电化学性质研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 样品的制备与表征
  • 4.2.1 样品的制备
  • 4.2.2 样品的表征
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 样品的ICP 分析
  • 4.3.2 样品的表面组成分析
  • 4.3.3 样品的结构分析
  • 4.3.4 样品的形貌分析
  • 4.3.5 样品的电化学性能分析
  • 4.3.5.1 样品的高倍率循环性能分析
  • 4.3.5.2 高倍率下，样品的初始充放电曲线
  • 4.3.5.3 样品的EIS 结果分析
  • 4.3.5.4 经大倍率充放电后电池的小倍率再次充放电循环性能分析
  • 4.4 结论
  • 1/3Mn1/3Co1/3O2正极材料及其高倍率电化学性能研究'>第5章 固相法合成 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极材料及其高倍率电化学性能研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 样品的制备与表征
  • 5.2.1 样品的制备
  • 5.2.2 样品的表征
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 不同温度下合成样品的结构分析
  • 5.3.2 样品的形貌分析
  • 5.3.3 不同温度下合成样品的电化学性能分析
  • 5.3.3.1 样品的初始充放电曲线分析
  • 5.3.3.2 样品的循环性能分析
  • 5.3.3.3 样品的EIS 分析
  • 5.3.4 不同Mn 源合成样品的结构分析
  • 5.3.5 不同锰源合成样品的循环性能图
  • 5.4 结论
  • 全文总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

    • 相关论文文献

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