金属氧化物表面修饰的三元正极材料的制备与表征

发布时间：2017-03-23 20:00

  本文关键词：金属氧化物表面修饰的三元正极材料的制备与表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：与其他电池相比,锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和绿色安全等优点,而改善锂离子电池性能的关键是研发合适的正极材料。本论文主要研究采用单层和双层金属氧化物包覆三元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM),探索氧化物种类、包覆比例、层数等对材料的结构形貌和电化学性能的影响。在论文的第一章研究中,我们简单介绍了化学电源与锂离子电池的发展,锂离子电池的结构组成、工作原理以及应用前景。从电池正极材料具体到层状材料中的三元材料,重点论述了三元材料的结构、特点、反应机理以及表面修饰改性的研究综述。在第二章中,介绍了本论文中使用的实验试剂和主要实验仪器,简单描述了论文中锂离子半电池的制备工艺流程及相关性能表征方法。在第三章的研究中,我们采用不同价态的金属氧化物对NCM材料进行单层表面包覆。对于金属氧化物的种类,主要考察惰性金属氧化物：MgO、Al2O3、 TiO2、ZrO2、Li2TiO3、Nb2O5、Ta2O5、MoO3。研究了从+2价到+6价不同价态和包覆比例的金属氧化物对于NCM材料结构形貌和电化学性能的影响,发现1 wt% nanoAl2O3、1wt%ZrO2和1mol%Li2TiO3包覆的材料表现出优异的循环和倍率性能。在2.5-4.3V,0.1C倍率下三种包覆材料的首次放电比容量分别是170、171.7和171.1mAh/g,在0.5C循环100次以后容量分别是140、148.3和143mAh/g,容量保持率分别是87.8%、87.6%和88.2%,而未包覆的参比样只有80.7%。在第四章的研究中,我们选择以上三种材料进行不同材料和包覆顺序的组合,采用双层或者多层包覆,考察了不同组合的金属氧化物包覆对于NCM材料电化学性能的影响。与单层包覆相比,双层或者多层包覆有再次修饰NCM表面的作用,使包覆层更加均匀。研究发现0.5mol%Li2TiO3-0.5mol%Li2TiO3包覆材料具有最佳的电化学性能,EDS结果表明双层包覆更均匀光滑。电化学测试结果显示双层0.5 mol%Li2TiO3包覆的NCM在2.8-4.3V,O.1C首次放电容量180mAh/g,在0.5C循环80次,容量保持率是94.2%。电化学性能提高是因为双层Li2TiO3包覆为锂离子的扩散提供了三维通道,并且作为保护层抑制电极与电解液的反应。最后,在第五章,对论文工作进行了总结,列出了创新点和存在的不足,并对未来可能的研究方向提出了展望。
【关键词】：锂离子电池 锂镍钴锰氧三元材料 表面包覆 循环性能 倍率性能
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ13;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 化学电源发展概述12-13
• 1.1.1 化学电源简介12-13
• 1.1.2 化学电源分类13
• 1.2 锂离子电池概述13-15
• 1.2.1 锂离子电池简介13
• 1.2.2 锂离子电池的结构与组成13-14
• 1.2.3 锂离子电池的工作原理14-15
• 1.2.4 锂离子电池特点与前景15
• 1.3 锂离子电池正极材料15-18
• 1.3.1 锂离子电池正极材料简介15-16
• 1.3.2 层状三元材料结构16-17
• 1.3.3 三元材料特点17-18
• 1.4 层状电极材料的表面包覆研究18-24
• 1.4.1 表面包覆的作用18-19
• 1.4.2 金属氧化物包覆19-20
• 1.4.3 氟化物包覆20
• 1.4.4 磷酸盐包覆20-21
• 1.4.5 含锂化合物包覆21
• 1.4.6 核壳结构包覆21-22
• 1.4.7 超薄膜包覆22-23
• 1.4.8 碳包覆23-24
• 1.5 选题背景与研究内容24-25
• 参考文献25-30
• 第二章 实验仪器与实验方法30-38
• 2.1 实验主要药品30-31
• 2.2 测试仪器及实验方法31-38
• 2.2.1 样品结构及形貌分析31-33
• 2.2.2 电极制备和电池组装33-35
• 2.2.2.1 电极制备33-34
• 2.2.2.2 电池组装34-35
• 2.2.3 电池测试35-38
• 2.2.3.1 循环和倍率性能测试35-36
• 2.2.3.2 循环伏安测试36
• 2.2.3.3 交流阻抗测试36-38
• 第三章 单层金属氧化物包覆LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的研究38-78
• 3.1 引言38
• 3.2 本章研究口的38
• 3.3 实验部分38-39
• 3.3.1 样品制备38-39
• 3.3.2 结构表征和电化学测试39
• 3.4 +2价金属氧化物MgO包覆NCM39-43
• 3.4.1 样品制备39-40
• 3.4.2 NCM/MgO的结构及形貌分析40-41
• 3.4.3 NCM/MgO的电化学性能41-43
• 3.4.4 小结43
• 3.5 +3价金属氧化物包覆NCM43-53
• 3.5.1 利用Al_2O_3包覆NCM43-48
• 3.5.1.1 样品制备43
• 3.5.1.2 NCM/Al_2O_3的结构及形貌分析43-45
• 3.5.1.3 NCM/Al_2O_3的电化学性能45-48
• 3.5.2 利用纳米Al_2O_3包覆NCM48-52
• 3.5.2.1 样品制备48
• 3.5.2.2 NCM/nanoAl_2O_3的结构及形貌分析48-50
• 3.5.2.3 NCM/nanoAl_2O_3的电化学性能50-52
• 3.5.3 小结52-53
• 3.6 +4价金属氧化物包覆NCM53-70
• 3.6.1 利用纳米TiO_2包覆NCM53-56
• 3.6.1.1 样品制备53
• 3.6.1.2 NCM/nanoTiO_2的结构及形貌分析53-55
• 3.6.1.3 NCM/nanoTiO_2的电化学性能55-56
• 3.6.2 利用Li_2TiO_3包覆NCM56-63
• 3.6.2.1 样品制备56-57
• 3.6.2.2 NCM/Li_2TiO_3的结构及形貌分析57-58
• 3.6.2.3 NCM/Li_2TiO_3的电化学性能58-63
• 3.6.3 利用ZrO_2包覆NCM63-69
• 3.6.3.1 样品制备63
• 3.6.3.2 NCM/ZrO_2的结构及形貌分析63-65
• 3.6.3.3 NCM/ZrO_2的电化学性能65-69
• 3.6.4 小结69-70
• 3.7 +5价金属氧化物Nb_2O_5和Ta_2O_5包覆NCM70-73
• 3.7.1 样品制备70
• 3.7.2 结构及形貌分析70-71
• 3.7.3 电化学性能71-73
• 3.8 +6价金属氧化物MoO_3包覆NCM73-75
• 3.8.1 样品制备73
• 3.8.2 结构及形貌分析73-74
• 3.8.3 电化学性能74-75
• 3.9 本章总结75-76
• 参考文献76-78
• 第四章 多层金属氧化物包覆LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的研究78-100
• 4.1 引言78
• 4.2 本章研究目的78
• 4.3 实验部分78-80
• 4.3.1 样品制备78-79
• 4.3.2 结构表征和电化学测试79-80
• 4.4 实验结果与讨论80-97
• 4.4.1 结构及形貌分析80-82
• 4.4.2 双层包覆的电化学性能82-95
• 4.4.2.1 双层Al_2O_3包覆NCM的电化学性能82-84
• 4.4.2.2 双层ZrO_2包覆NCM的电化学性能84-85
• 4.4.2.3 双层Li_2TiO_3包覆NCM的电化学性能85-89
• 4.4.2.4 Al_2O_3与ZrO_2包覆NCM的电化学性能89-90
• 4.4.2.5 Al_2O_3与Li_2TiO_3包覆NCM的电化学性能90-92
• 4.4.2.6 ZrO_2与Li_2TiO_3包覆NCM的电化学性能92-93
• 4.4.2.7 双层包覆综合电化学性能93-95
• 4.4.3 Li_2TiO_3三层包覆NCM的电化学性能95-97
• 4.5 本章总结97-98
• 参考文献98-100
• 第五章 论文总结与研究展望100-102
• 5.1 本论文的创新之处100
• 5.2 本论文的不足之处100
• 5.3 研究展望100-102
• 致谢102-104
• 硕士期间发表学术成果104

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 R.M.Lum.L.Seibles ,R.P.Jones ,余耀华;添加金属氧化物对已增塑聚氯乙烯的预燃高温裂解化学的效应[J];聚氯乙烯;1982年03期

2 大河内春乃;白木;;化学试剂基础知识讲座 八、金属和金属氧化物[J];化学试剂;1985年02期

3 王岳 ,余楚蓉;金属氧化物的制造方法[J];有色冶炼;1989年05期

4 吴水清;;不合格金属氧化物的退除方法[J];表面技术;1990年05期

5 刘先曙;密封的金属氧化物-储氢电池的生产工艺[J];兵器材料科学与工程;1991年11期

6 C.P.J.VANVUUREN;J.J.BODENSTEIN;M.SCIARONE;P.KESTENS;孙继光;;人工合成铬铁矿在不同金属氧化物下的热分析研究[J];铁合金;1993年04期

7 ;一步生产金属氧化物等微细粉体的新设备[J];现代化工;1999年09期

8 陆军;;甲烷与金属氧化物反应的探讨[J];化学教育;1993年03期

9 张艳辉,田彦文,邵忠财;多形态金属氧化物晶体的制备[J];材料与冶金学报;2005年03期

10 韩立敏;氧化铝和其他金属氧化物[J];无机盐工业;1987年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 马臻;任瑜;卢岩斌;Peter G.Bruce;;介孔过渡金属氧化物催化脱除环境污染物[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年

2 櫖恅i，

本文编号：264443