锂离子二次电池用纳米复合粉料的制备与性能研究

发布时间：2017-10-20 06:04

  本文关键词：锂离子二次电池用纳米复合粉料的制备与性能研究

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【摘要】：高镍三元正极材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM-622)相对于中国电动汽车领域中其它磷酸铁锂和锰酸锂等锂电池正极材料有着更高的能量密度,可以有效提升车辆续航里程,而被电池汽车市场越来越看好。但因为高压下高镍三元材料的结构容易转变会导致正极材料退化和安全性降低,所以通过掺杂和包覆等手段解决高压下高镍三元材料的结构稳定性和热稳定性等问题是目前发展NCM622材料的有效途径。本论文围绕对NCM-622合成以及改性展开一系列的研究工作：(1)前期工作中,为了探究通过超声电沉积法进行NCM-622材料包覆的工艺条件,先采用均一性良好的SiO2微球作为载体,在SiO2微球表面沉积Ag跟Au纳米颗粒,通过尝试调节不同反应参数成功合成了Ag@SiO2复合微球和Au@SiO2复合微球。研究表明对于Ag@SiO2,当电流密度为15mA/cm2,电解液浓度为10-4mol/L,超声功率为50w和反应时间为1h时,沉积出粒径分布均一及分散性较好的Ag纳米金属颗粒。对于Au@SiO2,当电流密度35mA/cm2,电解液浓度为10-3mol/L,超声功率为100w和反应时间为1.5 h时,沉积出的Au纳米金属颗粒分散性以及担载量最好。(2)在NCM-622三元正极材料通过超声电沉积的方法进行包覆Au颗粒进行改性,先用NiSO4·6H2O、CoSO4·7H2O、MnSO4·H2O还有LiOH·H2O原料通过共沉淀合成方法制备成了球形的NCM-622三元正极材料粉末,再通过超声电沉积的方法在NCM-622粉末表面包覆金颗粒,制备出Au@NCM-622正极材料粉末。把NCM-622粉末跟Au@NCM-622粉末装配成纽扣电池进行电化学性能测试。测试结果为NCM-622的首次放电容量达到了175.6mAh/g,而Au@NCM-622正极材料首次充放电仅为147.5mAh/g。NCM-622在5C倍率下放电容量降为0.1C倍率下放电容量的70.4%,而Au@NCM-622在5C倍率下放电容量降为0.1C倍率下放电容量的39.2%。NCM-622在1C倍率下100次充放电循环后,其放电容量损失了30%,而Au@NCM-622在相同条件下容量损失为17.5%。表明NCM-622材料上通过超声电沉积包覆金颗粒,降低了原来未包覆材料的放电容量以及倍率性能,但循环性能却有所提高。(3)我们又通过ALD技术在合成的NCM-622正极材料表面沉积5nm厚度的Ti02包覆层,制备出来的Ti02@NCM-622材料经过电化学性能测试后,Ti02@NCM-622材料在0.1C倍率下首次放电容量为187.7 mAh/g,在1C倍率下充放电循环100次后有着85.9%的容量保存率。表现出比未包覆的NCM-622正极材料更优异的放电容量、倍率性能以及循环稳定性,尤其是循环性能。
【关键词】：锂离子二次电池 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2 超声电沉积 ALD 纳米金属复合粉料
【学位授予单位】：南京大学
【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13-29
• 1.1 引言13-14
• 1.2 锂离子二次电池的组成和工作原理14-15
• 1.3 锂离子二次电池正极材料的发展现状15-21
• 1.3.1 锂离子二次电池正极材料的特点15-16
• 1.3.2 层状钻系正极材料16-17
• 1.3.3 层状镍系正极材料17-18
• 1.3.4 锰系正极材料18-19
• 1.3.5 磷酸亚铁锂正极材料19-20
• 1.3.6 多元复合层状正极材料LiNi_XCo_YMn_ZO_220-21
• 1.4 锂离子二次电子正极材料LiNi_xCo_yMn_O_2的研究进展21-27
• 1.4.1 正极材料LiNi_xCo_yMn_O_2的合成方法21-23
• 1.4.1.1 高温固相法21-22
• 1.4.1.2 溶胶凝胶法22
• 1.4.1.3 溶剂热法22-23
• 1.4.1.4 喷雾热分解法23
• 1.4.1.5 共沉淀法23
• 1.4.2 正极材料LiNi_xCo_yMn_zO_2的改性方法23-27
• 1.4.2.1 掺杂改性24-25
• 1.4.2.2 表面包覆25-27
• 1.4.2.3 共混改性27
• 1.5 论文的选题思路和工作内容27-29
• 第二章 超声电沉积制备担载型纳米金复合颗粒和银复合颗粒29-58
• 2.1 引言29-30
• 2.2 支撑体实心SiO_2球的制备和表征30-32
• 2.2.1 实验原料及仪器30-31
• 2.2.2 实验过程31
• 2.2.3 实心SiO_2球的表征31-32
• 2.2.3.1 表征仪器31
• 2.2.3.2 实心SiO_2球的SEM表征31-32
• 2.2.3.3 实心SiO_2球的TEM表征32
• 2.3 支撑体空心SiO_2球的制备和表征32-35
• 2.3.1 实验原料及仪器32-34
• 2.3.2 实验过程34
• 2.3.3 空心SiO_2球的表征34-35
• 2.3.3.1 表征仪器34
• 2.3.3.2 空心SiO_2球的SEM表征34-35
• 2.3.3.3 空心SiO_2球的TEM表征35
• 2.4 纳米金属复合微球Ag@SiO_2的制备和表征35-44
• 2.4.1 实验原料及仪器35-37
• 2.4.2 实验过程37-38
• 2.4.3 复合微球Ag@SiO_2的表征38-40
• 2.4.3.1 表征仪器38
• 2.4.3.2 复合微球Ag@SiO_2的XRD表征38-39
• 2.4.3.3 复合微球Ag@SiO_2的TEM表征39-40
• 2.4.4 结果与讨论40-43
• 2.4.4.1 电解液浓度对复合微球Ag@SiO_2的影响40-41
• 2.4.4.2 超声作用对复合微球Ag@SiO_2的影响41-42
• 2.4.4.3 不同支撑体SiO_2结构对复合微球Ag@SiO_2的影响42-43
• 2.4.4.4 复合微球Ag@SiO_2的形成机理43
• 2.4.5 小结43-44
• 2.5 纳米金属复合微球Au@SiO_2的制备和表征44-56
• 2.5.1 实验原料及仪器44-45
• 2.5.2 实验过程45-46
• 2.5.3 复合微球Au@SiO_2的表征46-47
• 2.5.3.1 表征仪器46
• 2.5.3.2 复合微球Au@SiO_2的XRD、SEM和TEM表征46-47
• 2.5.4 结果与讨论47-56
• 2.5.4.1 电流密度对复合微球Au@SiO_2的影响48-50
• 2.5.4.2 超声功率对复合微球Au@SiO_2的影响50-52
• 2.5.4.3 反应时间对复合微球Au@SiO_2的影响52-54
• 2.5.4.4 Au@SiO_2复合微球形成的机理讨论54-56
• 2.6 本章小结56-58
• 第三章 超声电沉积辅助共沉淀法制备Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料58-73
• 3.1 引言58-59
• 3.2 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2富镍三元正极材料的制备和表征59-63
• 3.2.1 实验原料及仪器59
• 3.2.2 实验过程59-60
• 3.2.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的表征60-63
• 3.2.3.1 表征仪器60
• 3.2.3.2 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的XRD表征60-61
• 3.2.3.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的SEM表征61-62
• 3.2.3.4 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的EDS表征62-63
• 3.3 超声电沉积法合成Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料工艺和表征63-66
• 3.2.1 实验原料及仪器63
• 3.2.2 实验过程63-64
• 3.2.3 Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的表征64-66
• 3.2.3.1 表征仪器64
• 3.2.3.2 Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的XRD表征64-65
• 3.2.3.3 Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的SEM表征65-66
• 3.2.3.4 Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的EDS表征66
• 3.4 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2与Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的电性能测66-72
• 3.4.1 组装与测试仪器66-67
• 3.4.2 组装电池工艺67-68
• 3.4.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2与Au@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的电性能研究68-72
• 3.5 本章小结72-73
• 第四章 ALD辅助共沉淀法制备TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料73-89
• 4.1 引言73-75
• 4.2 ALD包覆合成TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的工艺和表征75-79
• 4.2.1 实验原料及仪器75
• 4.2.2 实验过程75-76
• 4.2.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的表征76-79
• 4.2.3.1 表征仪器76-77
• 4.2.3.2 TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的XRD表征77-78
• 4.2.3.3 TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的SEM以及EDS表征78-79
• 4.2.3.4 TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的TEM表征79
• 4.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2与TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的电性能测试79-88
• 4.3.1 组装与测试仪器79-80
• 4.3.2 组装电池工艺80-81
• 4.3.3 LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2与TiO_2@LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的电性能研究81-88
• 4.4 本章小结88-89
• 第五章 总结与展望89-92
• 5.1 总结89-90
• 5.2 展望90-92
• 参考文献92-96
• 攻读硕士学位期间学术成果96-97
• 致谢97-98

【参考文献】

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1 杨平;张传福;戴曦;樊友奇;湛菁;蒋伟燕;;正极材料Li(Ni_(l/3)Co_(l/3-x)Mn_(l/3))M_xO_2(M=Ti,Mg)的合成及性能[J];中国有色金属学报;2009年01期

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本文编号：1065626