锂离子电池高镍三元正极材料的合成与性能研究
发布时间：2021-08-13 18:27
锂离子电池具有能量密度高、输出功率大、自放电小、长循环寿命且无污染等优点,在各种消费型电子设备中得到广泛的应用,并在新能源汽车产业的市场规模越来越大。镍钴锰三元正极材料,尤其是高镍（镍含量大于50%）材料,作为性价比更高的正极材料,引起产业界极大的关注。但是受其本身晶体结构的限制,高镍三元正极材料存在循环性能、高温储存性能较差等问题。为此,本文采用固相法合成了三种不同镍含量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）、LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2（NCM613）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）正极材料,比较研究镍含量与充放电电压区间之间的影响关系,具体研究结果如下:1)以商品化前驱体与LiOH·H2O为原料,采用固相法合成了NCM523、NCM613、NCM8...
【文章来源】：贵州师范大学贵州省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见的锂离子电池配置的形状和组件的示意图[15]
91.2.3锂离子电池的工作原理图1-2锂离子电池的工作原理示意图[37]图1-2是锂离子电池工作原理示意图，该图中简单表达了在充放电过程中离子和电子迁移情况。以LiCoO2为正极，石墨为负极来简单说明锂离子电池的充放电机理：锂离子电池的工作原理可以简单概述为在正极和负极之间循环传输锂离子过程：在充电过程中，正极材料LiCoO2提供锂源，脱出Li+并释放一个电子，Co3+氧化成为Co4+，发生氧化反应，Li+通过隔膜从电解液中嵌入到负极，被存储在负极材料中，与此同时，释放的电子经过集流体进入外电路，被传输到负极，负极得到一个电子发生还原反应，产生LixC6；放电过程与此相反[37]。1.3锂离子电池正极材料对于当前锂离子电池而言，正、负极材料的容量相差巨大，正极材料容量远低于负极材料，导致锂离子电池整体性能的提高很大程度上取决于正极材料的结构和性能，因此正极材料的研究对于提高锂离子电池整体容量有着决定性的意义[38]。因此，大力推动成本低廉、性能优异的正极材料开发成为当务之急[39]。以下是对几种目前主要关注的如层状氧化物材料（如LiCoO2、LiNiO2、镍钴锰三元材料）、尖晶石结构材料（如LiMn2O4）、橄榄石结构材料（如LiFePO4）等
10正极材料的简单介绍。1.3.1LiCoO2正极材料LiCoO2正极材料最早是由Goodenough等[13]在1980年报道的。到目前为止，由于其高振实密度，LiCoO2已经成为应用于便携式设备如智能电话中最成熟的正极材料。如图1-3所示LiCoO2为具有α-NaFeO2型的二维层状结构，为R-3m空间群[16]。LiCoO2的理论容量高达274mAh/g，然而，实际使用中，LiCoO2的充放电电压只能截止到4.2V，此时只能达到理论容量的一半，这主要归因于在LiCoO2在的充放电反应中，Li的脱嵌量高于一半以上时，引起不可逆的结构转变[40]，且进一步提高截止电压，高脱锂状态下具有强氧化性的Co4+易与电解液发生副反应从而导致严重的不可逆容量损失和安全隐患[41]。图1-3LiCoO2的层状晶体结构示意图[16]全球钴储量主要分布在非洲中部，其资源有限、价格昂贵，LiCoO2生产成本较高，较高的价格不可避免地阻碍了其在电动汽车中的大规模应用，且LiCoO2的实际容量相对较低[42]。研究人员尝试了许多方法，如掺杂[43]和氧化物包覆[44]等来提高LiCoO2在高电压下的实际放电容量以及循环性能。Liu等[43]对LiCoO2进行了La、Al共掺杂，发现共掺杂后的LiCoO2在高压运行至4.5V时，在0.1C下比容量高达190mAh/g，在50次循环后达到96%的容量保持率，表现出更好的高压循环稳定性和锂离子扩散速率，其性能增强的原因可能是La、Al共掺杂占据了Co的位点后增加了c轴距离，由此产生的平面间距扩张改善了锂离子的扩散，同时高电压下Co离子的溶解被降低，稳定了结构。然而，要实现在高电压下真正的商业化，LiCoO2的循环稳定性仍需进一步提高。1.3.2LiNiO2正极材料为了寻找更便宜的LiCoO2替代物，人们注意到了资源远要比钴丰富、便宜，
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池三元层状氧化物正极材料失效模式分析[J]. 陈晓轩,李晟,胡泳钢,郑时尧,柴云轩,李东江,左文华,张忠如,杨勇. 储能科学与技术. 2019(06)
[2]高性能单晶LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料的制备工艺及性能研究[J]. 刘攀,李文升,许国峰,樊勇利. 电源技术. 2019(07)
[3]三元材料LiNi0.82Co0.12Mn0.06O2热处理过程变化分析[J]. 张刚,钱旭,顾春芳,付龙强,黄勇. 电源技术. 2019(05)
[4]国内外锂离子电池隔膜的研究进展[J]. 鲁成明,虞鑫海,王丽华. 电池工业. 2019(02)
[5]锂离子电池在电动车上的应用前景[J]. 吕佳歆,张翠萍. 化工时刊. 2019(03)
[6]LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的高电压研究[J]. 兰超波,张骞,邱世涛,蒙福海,吴理觉,钟盛文. 有色金属科学与工程. 2019(04)
[7]锂离子电池硅基负极界面反应的研究进展[J]. 常增花,王建涛,李文进,武兆辉,卢世刚. 材料工程. 2019(02)
[8]纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展[J]. 安富强,赵洪量,程志,邱继一承,周伟男,李平. 工程科学学报. 2019(01)
[9]动力锂电池产业结构及发展展望[J]. 田春筝,高超,唐西胜,刘巍,付科源. 电源技术. 2018(12)
[10]锂离子动力电池产业化发展路径研究[J]. 阮艺亮,王佳. 汽车工业研究. 2018(12)
硕士论文
[1]废旧锂离子电池正极材料的回收再利用[D]. 王雪.贵州师范大学 2018
[2]锂离子电池622型镍钴锰三元正极材料的制备及电化学性能测试[D]. 陈毅滨.华南理工大学 2018
本文编号：3340924
【文章来源】：贵州师范大学贵州省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见的锂离子电池配置的形状和组件的示意图[15]
91.2.3锂离子电池的工作原理图1-2锂离子电池的工作原理示意图[37]图1-2是锂离子电池工作原理示意图，该图中简单表达了在充放电过程中离子和电子迁移情况。以LiCoO2为正极，石墨为负极来简单说明锂离子电池的充放电机理：锂离子电池的工作原理可以简单概述为在正极和负极之间循环传输锂离子过程：在充电过程中，正极材料LiCoO2提供锂源，脱出Li+并释放一个电子，Co3+氧化成为Co4+，发生氧化反应，Li+通过隔膜从电解液中嵌入到负极，被存储在负极材料中，与此同时，释放的电子经过集流体进入外电路，被传输到负极，负极得到一个电子发生还原反应，产生LixC6；放电过程与此相反[37]。1.3锂离子电池正极材料对于当前锂离子电池而言，正、负极材料的容量相差巨大，正极材料容量远低于负极材料，导致锂离子电池整体性能的提高很大程度上取决于正极材料的结构和性能，因此正极材料的研究对于提高锂离子电池整体容量有着决定性的意义[38]。因此，大力推动成本低廉、性能优异的正极材料开发成为当务之急[39]。以下是对几种目前主要关注的如层状氧化物材料（如LiCoO2、LiNiO2、镍钴锰三元材料）、尖晶石结构材料（如LiMn2O4）、橄榄石结构材料（如LiFePO4）等
10正极材料的简单介绍。1.3.1LiCoO2正极材料LiCoO2正极材料最早是由Goodenough等[13]在1980年报道的。到目前为止，由于其高振实密度，LiCoO2已经成为应用于便携式设备如智能电话中最成熟的正极材料。如图1-3所示LiCoO2为具有α-NaFeO2型的二维层状结构，为R-3m空间群[16]。LiCoO2的理论容量高达274mAh/g，然而，实际使用中，LiCoO2的充放电电压只能截止到4.2V，此时只能达到理论容量的一半，这主要归因于在LiCoO2在的充放电反应中，Li的脱嵌量高于一半以上时，引起不可逆的结构转变[40]，且进一步提高截止电压，高脱锂状态下具有强氧化性的Co4+易与电解液发生副反应从而导致严重的不可逆容量损失和安全隐患[41]。图1-3LiCoO2的层状晶体结构示意图[16]全球钴储量主要分布在非洲中部，其资源有限、价格昂贵，LiCoO2生产成本较高，较高的价格不可避免地阻碍了其在电动汽车中的大规模应用，且LiCoO2的实际容量相对较低[42]。研究人员尝试了许多方法，如掺杂[43]和氧化物包覆[44]等来提高LiCoO2在高电压下的实际放电容量以及循环性能。Liu等[43]对LiCoO2进行了La、Al共掺杂，发现共掺杂后的LiCoO2在高压运行至4.5V时，在0.1C下比容量高达190mAh/g，在50次循环后达到96%的容量保持率，表现出更好的高压循环稳定性和锂离子扩散速率，其性能增强的原因可能是La、Al共掺杂占据了Co的位点后增加了c轴距离，由此产生的平面间距扩张改善了锂离子的扩散，同时高电压下Co离子的溶解被降低，稳定了结构。然而，要实现在高电压下真正的商业化，LiCoO2的循环稳定性仍需进一步提高。1.3.2LiNiO2正极材料为了寻找更便宜的LiCoO2替代物，人们注意到了资源远要比钴丰富、便宜，
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池三元层状氧化物正极材料失效模式分析[J]. 陈晓轩,李晟,胡泳钢,郑时尧,柴云轩,李东江,左文华,张忠如,杨勇. 储能科学与技术. 2019(06)
[2]高性能单晶LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料的制备工艺及性能研究[J]. 刘攀,李文升,许国峰,樊勇利. 电源技术. 2019(07)
[3]三元材料LiNi0.82Co0.12Mn0.06O2热处理过程变化分析[J]. 张刚,钱旭,顾春芳,付龙强,黄勇. 电源技术. 2019(05)
[4]国内外锂离子电池隔膜的研究进展[J]. 鲁成明,虞鑫海,王丽华. 电池工业. 2019(02)
[5]锂离子电池在电动车上的应用前景[J]. 吕佳歆,张翠萍. 化工时刊. 2019(03)
[6]LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的高电压研究[J]. 兰超波,张骞,邱世涛,蒙福海,吴理觉,钟盛文. 有色金属科学与工程. 2019(04)
[7]锂离子电池硅基负极界面反应的研究进展[J]. 常增花,王建涛,李文进,武兆辉,卢世刚. 材料工程. 2019(02)
[8]纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展[J]. 安富强,赵洪量,程志,邱继一承,周伟男,李平. 工程科学学报. 2019(01)
[9]动力锂电池产业结构及发展展望[J]. 田春筝,高超,唐西胜,刘巍,付科源. 电源技术. 2018(12)
[10]锂离子动力电池产业化发展路径研究[J]. 阮艺亮,王佳. 汽车工业研究. 2018(12)
硕士论文
[1]废旧锂离子电池正极材料的回收再利用[D]. 王雪.贵州师范大学 2018
[2]锂离子电池622型镍钴锰三元正极材料的制备及电化学性能测试[D]. 陈毅滨.华南理工大学 2018
本文编号：3340924
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