LiNi0.5Mn1.5O4和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2脱锂材料作为一次锂电池正极材料的研究

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一次锂电池具有贮存寿命长、自放电率低、重量较轻便于携带的特点,因此,应用非常广泛,特别是在军事领域。然而,目前的一次锂电池的能量密度和功率密度还有待进一步提高,这依赖于新型正极材料的研发。本论文通过对二次锂电正极材料脱锂的研究,制备了高能量密度的一次锂电池正极材料。论文研究了LiNi0.5Mn1.5O4和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的脱锂方式对结构以及性能影响。采用化学法脱锂,考察了不同的酸体系、脱锂温度和时间的影响。通过XRD和SEM对脱锂后的试样进行材料结构和形貌的表征,并用脱锂后的材料为正极材料,组装成一次锂电池,通过恒流放电和电化学阻抗测试其电化学性能。通过对LiNi0.5Mn1.5O4材料在1.0mo·L-1HCl+0.1mol·L-1NaClO、1.0mol·L-1H2SO4和1.0mol·L-1HNO3三个酸体系,60℃、80℃和100℃三个不同脱锂温度,12h、24h和48h三个不同脱锂时间下脱锂样品XRD和SEM表征发现:LiNi0.5Mn1.5O4在1.0mol·L-1HCl+0.1mol·L-1NaClO酸体系中80℃脱锂24h的试样结构发生了一些变化;脱锂试样颗粒的表面生长了很多絮状物质,颗粒的尺寸更为细小,粒径在15μm之间。恒流放电测试表明该条件下的脱锂试样放电时具有最高的比容量和功率密度,电池在0.1C下放电时比容量高达380mAh·g-1,功率密度为1043Wh·kg-1,放电电压平台宽,中压约为2.77V。交流阻抗结果显示电池的电化学阻抗为122。对LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在上述三个酸体系、处理温度和时间下进行脱锂制得的样品XRD分析表明:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在1.0mol·L-1HCl+0.1mol·L-1NaClO酸体系中80℃脱锂24h的试样的结构变化较大,在脱出大量Li+的同时,还脱出了部分Ni2+和Co3+,形成了MnO2新相。SEM结果显示:形貌呈现为疏松的类球状,颗粒大小均一,粒径在23μm之间,分散性较好。恒流放电测试表明该条件脱锂后的试样放电时具有最高的工作电压,较高的比容量和功率密度,电池在0.1C下放电时比容量为199mAh·g-1,功率密度为568Wh·kg-1,放电中压在2.91V左右,交流阻抗分析表明电池的电化学阻抗为47。
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