快离子导体包覆富锂层状及层状-尖晶石复合正极材料的制备及性能研究

发布时间：2017-03-17 22:02

  本文关键词：快离子导体包覆富锂层状及层状-尖晶石复合正极材料的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池因其具有能量密度高、重量轻、环境友好、循环寿命长等优点,被广泛应用于电动工具、电子产品等领域。而随着电子产品的发展,尤其是电动汽车的开发与应用,要求锂离子电池具有更高的比能量,传统的正极材料难以满足高能量密度的要求,因此发展高比容量的锂离子电池正极材料变得尤为重要。富锂层状固溶体正极材料x Li_2Mn O_3·(1-x)Li MO_2(0x1,M=Co、Ni、Cr、Ni1/2Mn1/2等)和层状-尖晶石复合正极材料x Li[Mn_(1.5)Ni_(0.5)]O_4·(1-x){Li_2Mn O_3·Li(Mn_(0.5)Ni_(0.5))O_2}是最近几年发展起来的新型正极材料,与传统正极材料Li Co O_2相比,具有更高的放电比容量(250 m Ah/g)、更低廉的价格、更高的安全的性能。但是该类正极材料仍存在首次不可逆容量损失大,循环稳定性差和倍率性能差等问题阻碍了其进一步发展,所以需要对该类材料进行修饰改性以满足大功率、高能量密度的汽车用动力电池的需求。本论文通过采用快离子导体Li Al O_2和Li_4Ti_5O_(12)进行表面包覆来改善正极材料的电化学性能。结合XRD、SEM、TEM、交流阻抗、充放电测试对材料的形貌、结构和电化学性能进行系统表征与测试,主要包括以下几部分工作:(1)在课题组成员前期研究的基础上,本论文选取的研究对象是层状固溶体正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2和层状-尖晶石复合正极材料Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3)。(2)采用溶液法对富锂层状正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2进行Li Al O_2(1 wt%,3 wt%,5 wt%,8 wt%)包覆,采用溶胶-凝胶法对其进行Li_4Ti_5O_(12)(1 wt%,3 wt%,5 wt%)包覆。XRD、SEM、TEM结果表明:Li Al O_2和Li_4Ti_5O_(12)均已成功包覆在Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2表面,且未改变材料原有的结构。充放电性能测试表明:包覆5 wt%Li Al O_2样品和包覆3 wt%Li_4Ti_5O_(12)样品所表现出的电化学性能最优。对于包覆5 wt%Li Al O_2样品来说,其首次放电比容量为254.6 m Ah/g,首次库仑效率为75.2%。50次循环后,容量保持率为98.9%。当倍率为10 C时,放电比容量可达58.29 m Ah/g。对于包覆3 wt%Li_4Ti_5O_(12)样品来说,其首次放电比容量为258.4 m Ah/g,首次库仑效率为82.1%,经50次循环后,容量保持率为98.7%。当倍率为10 C时,放电比容量可达到110.8 m Ah/g。交流阻抗结果表明:包覆5 wt%Li Al O_2和3 wt%Li_4Ti_5O_(12)后的正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的电荷转移阻抗明显减小。综上所述,Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2表面包覆Li Al O_2或Li_4Ti_5O_(12)是改善其电化学性能的一种有效手段。此外,通过对比发现:Li_4Ti_5O_(12)的包覆效果要优于Li Al O_2。(3)在课题组成员前期研究的基础上,首先利用共沉淀-高温烧结法制备出层状-尖晶石复合正极材料Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3),之后采用溶胶-凝胶法对其进行1 wt%、3 wt%、5 wt%含量Li_4Ti_5O_(12)的包覆改性。研究结果表明:Li_4Ti_5O_(12)包覆在原材料表面,未改变其原本结构。包覆量为3 wt%样品的电化学性能最佳。其首次放电比容量可达到260.4 m Ah/g,首次库仑效率可达到93.9%。经50次循环后,容量保持率为99.94%。当倍率为10 C时,放电比容量高达127.7 m Ah/g,包覆后的倍率性能大大提高。交流阻抗结果表明:包覆样品的电荷转移阻抗明显减小。综上所述,适量的Li_4Ti_5O_(12)包覆能有效地改善锂离子电池正极材料Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_2.3的电化学性能。性能的提升归因于Li_4Ti_5O_(12)包覆层可以阻碍正极材料与电解液之间的直接接触,减少副反应的发生,还可促进锂离子在电极界面的扩散。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 快离子导体 LiAl O_2 Li_4Ti_5O_(12) Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2 Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3) 表面修饰
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 引言13
• 1.2 锂离子电池概述13-16
• 1.2.1 锂离子电池发展史13-14
• 1.2.2 锂离子电池组成及工作原理14-16
• 1.3 正极材料概述16-20
• 1.3.1 层状正极材料的研究进展16-19
• 1.3.2 尖晶石型正极材料的研究进展19-20
• 1.3.3 橄榄石型正极材料的研究进展20
• 1.4 富锂层状固溶体正极材料的研究进展20-26
• 1.4.1 富锂层状固溶体正极材料简介20-21
• 1.4.2 富锂层状固溶体正极材料的结构与充放电机理21-22
• 1.4.3 富锂层状固溶体正极材料的制备方法22-24
• 1.4.4 富锂层状固溶体正极材料的改性研究24-26
• 1.5 富锂层状-尖晶石复合正极材料的研究进展26-28
• 1.6 本论文选题意义与研究内容28-30
• 第二章 实验的试剂、仪器与方法30-34
• 2.1 实验原料与仪器30-31
• 2.1.1 实验原料30-31
• 2.1.2 实验仪器31
• 2.2 材料的表征方法31-32
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）分析31-32
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）分析32
• 2.2.3 透射电子显微镜（TEM）分析32
• 2.3 扣式电池的制作32-33
• 2.3.1 电极片的制作32
• 2.3.2 扣式电池的组装32-33
• 2.4 材料的电化学性能测试33-34
• 2.4.1 充放电测试33
• 2.4.2 交流阻抗（EIS）分析33-34
• 第三章 富锂层状正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的包覆改性研究34-56
• 3.1 引言34-35
• 3.2 材料的制备35
• 3.2.1 富锂层状正极材料Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_235
• 3.2.2 LiAlO_2包覆Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备35
• 3.2.3 Li_4Ti_5O_(12)包覆Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的制备35
• 3.3 LiAlO_2包覆Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的性能研究35-45
• 3.3.1 材料的XRD分析35-37
• 3.3.2 材料的SEM分析37-38
• 3.3.3 材料的TEM分析38-39
• 3.3.4 材料的电化学性能分析39-45
• 3.4 Li_4Ti_5O_(12)包覆Li_(1.2)Ni_(0.2)Mn_(0.6)O_2的性能研究45-54
• 3.4.1 材料的XRD分析45
• 3.4.2 材料的SEM分析45-47
• 3.4.3 材料的TEM分析47
• 3.4.4 材料的电化学性能分析47-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第四章 富锂层状-尖晶石复合材料Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3) 的包覆改性研究56-70
• 4.1 引言56-57
• 4.2 材料的制备57-58
• 4.2.1 层状-尖晶石复合正极材料Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3) 的制备57
• 4.2.2 Li_4Ti_5O_(12)包覆Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3) 材料的制备57-58
• 4.3 Li_4Ti_5O_(12)包覆Li_(1.1)Ni_(0.235)Mn_(0.735)Cr_(0.03)O_(2.3) 的性能研究58-69
• 4.3.1 材料的XRD分析58-59
• 4.3.2 材料的SEM分析59-61
• 4.3.3 材料的TEM分析61-62
• 4.3.4 材料的电化学性能分析62-67
• 4.3.5 材料锂离子扩散系数（D）计算67-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 结论70-72
• 参考文献72-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学位期间主要成果82-83

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 林祖镶;;第二届快离子导体学术讨论会在无锡召开[J];化学通报;1983年07期

2 ;快离子导体发展应用专题讨论会纪要[J];硅酸盐通报;1985年06期

3 施剑林,杨芝洲,林祖~，

本文编号：253483