523型三元Ni-Co-Mn正极材料组分优化及电化学性能研究
发布时间：2021-12-28 02:49
正极材料作为锂离子电池的重要组成部分,是决定锂离子电池性能重要因素之一。三元LiNixCoyMnzO2（x+y+z=1）系正极材料中,以LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料为代表的523型三元Ni-Co-Mn正极材料兼具比容量高、安全性好、成本低的优势,成为最具商业化应用前景的正极材料之一。但由于存在阳离子混排严重、界面稳定性差、层状结构不稳定等缺陷,造成材料的循环性能和倍率性能不尽人意,进而影响电池的能量密度及功率密度。为进一步提升材料的性能,本文对523型三元Ni-Co-Mn正极材料进行了过渡金属（TM）离子比例优化及对优化所得的材料进行同步双重改性的研究,并对其在晶体结构、界面化学性质、锂离子传输特性、电化学性能等方面产生的影响进行系统的分析,主要研究内容与结果如下:（1）为了优化LiNi0.5+xCo0.2+yMn0.3+zO
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图[12]
锂离子电池的工作原理示意图[21]
硕士学位论文5图1.3LiFePO4晶体结构模型示意图[24]Fig.1.3CrystalstructuremodalofLiFePO4[24]1.3.2尖晶石型正极材料最早被发现的尖晶石型正极材料是锰酸锂（LiMn2O4）。锰酸锂属于立方晶系，Fd3m空间群。在尖晶石LiMn2O4结构中，O呈立方堆积结构占据32a位点，锂占据四面体的8a位点，Mn占据八面体的16a位点[27]，其结构模型如图1.4所示[24]。这种特殊的晶体结构为锂离子的传输提供了一条三维扩散通道，因此LiMn2O4具有良好的倍率性能，同时LiMn2O4材料还具有成本低、安全性高的优势。但LiMn2O4存在如下缺陷[28,29]：首先，当锰离子的平均价态低于+3.5时，易发生Jahn-Teller效应，造成晶格扭曲，引发不可逆相变，从而破坏锂离子传输路径；其次，Mn3+易发生歧化反应：Mn3+→Mn2++Mn4+，Mn2+易溶于电解液，材料中的锰析出会对其结构造成破坏，同时电解液中的锰离子会影响SEI膜的生长造成电解液持续的分解。因此造成LiMn2O4材料的循环稳定性差，尤其是在高温下。为了克服以上缺点，通常对LiMn2O4材料进行金属离子掺杂来稳定晶体结构，包覆惰性物质减小电解液的侵蚀来抑制Jahn-Teller效应和锰溶解。近期研究发现LiMn2O4的晶面取向对电化学性能有显著的影响[30,31]，其中{111}面具有较低的表面能和最佳锰离子排布，能够抑制锰溶解和形成稳定的SEI膜；而{100}面和{110}面与锂离子传输通道一致，促进锂离子的传输。因此{111}面占据主导配以少量的{100}面和{110}面的截角八面体型LiMn2O4具有良好的循环性能和快速充放电性能。LiNi0.5Mn1.5O4材料是通过Ni掺杂取代部分Mn得到的一种尖晶石型正极材料。镍取代能够提高锰离子的价态，抑制Jahn-Teller效应，维持结构稳定；Ni2+/Ni4+的氧化还原反应将材料的平台电压提升到4.7V[32,33]。尖晶石型LiNi0.5Mn1.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池正极材料高镍LiNi1-x-yCoxMnyO2研究进展[J]. 刘嘉铭,张英杰,董鹏,李雪,夏书标. 硅酸盐学报. 2016(07)
[2]三元正极材料LixNiyCozMn2-x-y-zO2的研究现状[J]. 王丰,刘成士,曹利娜,张金龙. 电池. 2016(02)
博士论文
[1]锂离子电池正极材料LiCoO2的改性及其薄膜制备研究[D]. 戴新义.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成及其改性研究[D]. 朱圣容.华南理工大学 2016
本文编号：3553251
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构示意图[12]
锂离子电池的工作原理示意图[21]
硕士学位论文5图1.3LiFePO4晶体结构模型示意图[24]Fig.1.3CrystalstructuremodalofLiFePO4[24]1.3.2尖晶石型正极材料最早被发现的尖晶石型正极材料是锰酸锂（LiMn2O4）。锰酸锂属于立方晶系，Fd3m空间群。在尖晶石LiMn2O4结构中，O呈立方堆积结构占据32a位点，锂占据四面体的8a位点，Mn占据八面体的16a位点[27]，其结构模型如图1.4所示[24]。这种特殊的晶体结构为锂离子的传输提供了一条三维扩散通道，因此LiMn2O4具有良好的倍率性能，同时LiMn2O4材料还具有成本低、安全性高的优势。但LiMn2O4存在如下缺陷[28,29]：首先，当锰离子的平均价态低于+3.5时，易发生Jahn-Teller效应，造成晶格扭曲，引发不可逆相变，从而破坏锂离子传输路径；其次，Mn3+易发生歧化反应：Mn3+→Mn2++Mn4+，Mn2+易溶于电解液，材料中的锰析出会对其结构造成破坏，同时电解液中的锰离子会影响SEI膜的生长造成电解液持续的分解。因此造成LiMn2O4材料的循环稳定性差，尤其是在高温下。为了克服以上缺点，通常对LiMn2O4材料进行金属离子掺杂来稳定晶体结构，包覆惰性物质减小电解液的侵蚀来抑制Jahn-Teller效应和锰溶解。近期研究发现LiMn2O4的晶面取向对电化学性能有显著的影响[30,31]，其中{111}面具有较低的表面能和最佳锰离子排布，能够抑制锰溶解和形成稳定的SEI膜；而{100}面和{110}面与锂离子传输通道一致，促进锂离子的传输。因此{111}面占据主导配以少量的{100}面和{110}面的截角八面体型LiMn2O4具有良好的循环性能和快速充放电性能。LiNi0.5Mn1.5O4材料是通过Ni掺杂取代部分Mn得到的一种尖晶石型正极材料。镍取代能够提高锰离子的价态，抑制Jahn-Teller效应，维持结构稳定；Ni2+/Ni4+的氧化还原反应将材料的平台电压提升到4.7V[32,33]。尖晶石型LiNi0.5Mn1.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池正极材料高镍LiNi1-x-yCoxMnyO2研究进展[J]. 刘嘉铭,张英杰,董鹏,李雪,夏书标. 硅酸盐学报. 2016(07)
[2]三元正极材料LixNiyCozMn2-x-y-zO2的研究现状[J]. 王丰,刘成士,曹利娜,张金龙. 电池. 2016(02)
博士论文
[1]锂离子电池正极材料LiCoO2的改性及其薄膜制备研究[D]. 戴新义.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成及其改性研究[D]. 朱圣容.华南理工大学 2016
本文编号：3553251
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