磷酸钒锂和三元正极材料的制备及其电化学性能的研究

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锂离子电池作为新一代绿色高能源,因其高的放电容量,高的充放电平台,优良的循环稳定性和安全性,目前已经广泛的商业化,具有广阔的应用前景。  本文在详细归纳和论述了锂离子正极材料近几年的研究进展的基础上,分别选取了单斜结构的磷酸钒锂 Li3V2(PO4)3和α-NaFeO2层状结构的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料作为研究对象,采用了不同的制备方法,如高温固相法、共沉淀法、水热法和离子热法等来制备上述材料,并对其表面进行了包覆和改性。利用X射线衍射,扫描电子显微镜,透射电子显微镜,充放电测试等表征手段对材料的晶体结构、微观形貌、元素组成和电化学性能等都进行了深入的研究。  分别通过溶胶凝胶法和水热法制备了单斜结构的Li3V2(PO4)3/C正极材料,相较于溶胶凝胶法,水热法更易制备出颗粒小,不团聚,表面光滑的材料,电化学性能得到了明显的提升。  采用三种不同阴离子的咪唑类离子液体作为溶剂和结构导向剂,通过离子热法成功了制备了单斜结构的正极材料 Li3V2(PO4)3/C。由于咪唑类离子液体具有高的热稳定性和化学稳定性,以及不同阴离子的离子液体具有的不同的表面张力,造成制备出的材料具有不同的形貌和尺寸,致使其对电化学性能也产生了影响。其中,以[emim][OTf]为溶剂制备的材料电化学性能最优。  分别通过共沉淀法、水热法、离子热法制备了α-NaFeO2层状结构的正极材料 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。共沉淀法制备的材料具有均匀的球状结构,但经过高温煅烧后发生了一定程度的团聚。而水热法制备的材料在水热条件下晶体沿着 c-轴生长,形成以{010}晶面族为暴露晶面的纳米砖形貌,经过高温处理后,纳米砖微晶却沿着垂直于c-轴方向进行自组装。这种生长方向的转变仍然使得最终材料的{010}具有高的暴露程度,使得更多的锂离子能够从垂直于c-轴方向进行脱嵌,提高了锂离子的扩散速率。在2.8~4.3V电压范围,0.1C倍率条件下,其首次放电比容量达到178.2mAh·g-1,经过100次循环后,其容量保持率仍达到92.8%。而离子液体[emim][BF4]具有优良的溶解性和分散性,能够将(Ni1/3Co1/3Mn1/3)(OH)2分剪成较小的颗粒,因此通过离子热形成了具有类球状结构的正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2。  通过对水热制备的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2进行 Al2O3包覆,通过TEM表征发现材料的表面包覆着一层均匀的约5nm厚的Al2O3包覆层,而这层包覆能够的有效的减缓电解液对材料颗粒表层的分解和腐蚀,有效的抑制在充放电过程中造成的锂离子遗失,降低电化学过程的阻抗,提高材料的倍率循环性能。同时通过交流阻抗测试,研究了材料电极的电化学过程。
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