锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的合成及其改性研究

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LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2继承了LiNiO2高比容量的优势,同时由于Co和Mn的加入明显改善了其Li+/Ni2+阳离子混排严重,合成困难等缺点,但是为更好的实现商品化应用,其循环稳定性、存储性能及倍率性能还有待提高。如何让LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2拥有高比容量的同时拥有更好的循环稳定性和存储性及倍率性能,成为广大研究者的研究热点。本文通过共沉淀法合成类球形811正极材料,并对其合成工艺条件,如沉淀剂,陈化时间,烧结时间等对811正极材料的性能影响进行了讨论。在此基础上对811正极材料进行了Li+、Mg2+、Al3+掺杂及Li-Al共掺杂改性研究,同时还对811正极材料进行了AlPO4, LiCoPO4包覆改性研究,并对其进行SEM,激光粒度,振实密度,XRD,XPS,ICP-AES,EIS,容量微分曲线,电化学性能等测试。通过对测试结果分析发现,不同沉淀剂,不同陈化时间,不同烧结时间,不同离子掺杂,不同包覆均可制备得到具有α-NaFeO2层状结构的正极材料。采用NaoH沉淀法合成的前驱体由α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2两相混合组成,通过控制陈化时间可以控制材料前驱体中的α-Ni(OH)2和β-Ni(OH)2的相对含量,且α-Ni(OH)2相的存在可以抑制阳离子混排。Mg2+掺杂具有稳定前驱体中β-Ni(OH)2相,抑制α-Ni(OH)2相的作用,而Al3+掺杂则具有稳定前驱体中α-Ni(OH)2相的作用。采用Na2CO3沉淀法制得的前驱体为非晶态,用其制得的811阳离子混排度高,导致其充放电循环性能较差。通过调整陈化时间;延长烧结时间;Li+,Mg2_,Al3+掺杂及其Li-Al共掺杂,均能抑制材料中的Li+/Ni2+阳离子混,提高材料层状结构有序性,提高材料的可逆容量与循环性能。Mg2+,Al3+掺杂能抑制Li+从正极材料内部脱出,减少材料表面Li2CO3的形成。Li+、Mg2+、Al3+掺杂能抑制材料在充放电过程中的H2到H3的相变,减少相变造成的不可逆容量。充放电测试结果表明,在Li+,Al3+掺杂的协同作用下,Li-Al共掺杂具有较好的电化学性能,其0.2C首次放电容量为159.7mA·h/g,首次活化充放电效率为76.4%,20次循环充放电容量为152.1mA·h/g,容量保持率为95.2%。AlPO4包覆及LiCoPO4包覆后均在材料表面产生少量Li3PO4目,其中LiCOPO4包覆中的Li3P04相的含量相对较少,同时发现AlPO4包覆中有部分Al3+进入正极材料颗粒内部的晶格,而LiCOPO4包覆中则有部分Co2+进入正极材料内部的晶格中。EIS测试表明AlPO4和LiCoPO4包覆均能有效的降低材料的RSEI及Rct,其中AlP04包覆降低材料RSEI和Rct的效果优于LiCoPO4。AIPO4包覆不仅能提高材料低倍率下的电化学性能,而且能提高材料高倍率下的电化学性能。LiCoPO4包覆没有较有效的改善材料的低倍率性能,但在高倍率下,材料的电化学性能得到改善。
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