锂离子电池层状高镍系与尖晶石锰酸锂正极材料的制备及其性能研究
发布时间：2021-07-14 05:56
提高电池的能量密度、循环寿命和安全性能,降低电池成本是拓展锂离子电池应用的关键。锂离子电池正极材料的循环性能与晶体结构的稳定性、粒度分布均一性、表界面性质息息相关。本论文利用具有核-壳结构的前驱体合成了多种不同组成的高镍系材料,研究了前驱体结构在高温焙烧过程中的变化规律及其对电化学性能的影响;开发了连续溢流-间歇串联沉淀工艺,合成了粒度分布均一的高镍系材料;利用大离子半径的金属离子难于扩散到LiMn204颗粒内部的特性,用一次焙烧反应对LiMn204材料进行了表界面掺杂包覆改性,提升了其能量密度和循环稳定性。具体研究内容如下:（1）采用共沉淀反应,设计合成了包覆型以及掺杂型前驱体Ni0.88Co0.12（OH）2，再通过高温固相反应合成了 LiNi0.88Co0.12O2材料。研究发现,前驱体的核-壳结构在成品材料中不能得以保持,Ni和Co成完全均匀分布。尽管如此,由包覆型前驱体合成的LiNi0.88Co0.12O2材料仍然具有最好的电化学性能。研究发现,CoOOH包覆层能够起到“缓冲层”的作用,减慢LiOH与NiO的反应速度,使得尽量多的Ni2+被氧化为Ni3+,降低了 Li+/Ni...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１锂离子电池的（ａ）内部结构示意图［１］和（ｂ）工作原理示意图［２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?（ａ）?ｔｈｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ１＾?ａｎｄ?（ｂ）?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?Ｌｉ－ｉｏｎ??ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［２Ｊ??２??
?锂离子电池的优异性能与其独特的工作原理密切相关。锂离子电池的内部结构及??工作原理如图１－１所示，锂离子电池主要由五个部分构成，分别为正极、负极、电解??液、隔膜和外壳［１＇２］。正极材料主耍为锂的过渡金属氧化物或鱗酸盐，如ＬｉＣｏ０２、??ＬｉＮｉｍＣｃ＾ＭｎｙＣ＾、ＬｉＭｎ２〇４和ＬｉＦｅＰ０４，负极材料主要包括石墨碳材料（如人造石??墨和天然石墨）、ＭＣＭＢ中间相碳微球、Ｓｉ－Ｃ复合材料、硬碳以及〇４丁丨５０１２等，电解??液为约１?ｍｏｌＬ—１?ＬｉＰＦ６＆ＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ等的有机溶液、隔膜一般为聚烯烃树脂，常??用的隔膜为单层或多层的聚丙烯（ＰＰ）和聚乙烯（ＰＥ）微孔膜，外壳主耍有钢壳、铝壳和??铝塑膜等。电池充电时，Ｌｉ＋从正极材料的晶格中脱嵌，穿过隔膜，插入负极材料的晶??格中，放电时，Ｌｉ＋从负极脱出，穿过隔膜，嵌入正极，锂离子电池是通过Ｌｉ＋在正负??极之间的来回穿梭实现对能景的存储和释放的
ＬｉＣ〇０２的技术发展主耍经历了以下三个阶段：??弟一■阶段？？多晶ＬｉＣｏＣ＾Ｍ。最早商业化应用的ＬｉＣｏ〇２材料是由２￣３?ｆｘｍ的一次??颗粒组成的粒度为８？１０?的二次颗粒，材料的典型微观形貌如图１－３所示［１３］，该类??型材料虽然放电比容量也较高，但是材料的循环性能不太理想，而且材料的压实密度??只有３．６？３．８ｇ．ｃｎＴ３，电池能量密度偏低間。?－??纖??ＳＩ?Ｍ?：ＵＡＣ：?５．（ＸＪ?ｋＨ?Ｗ?ｒ：?Ｓｔ?Ｄｅｆｅｃｔｏｒ?Ｉ?：?；?；?｜??ＭＶ?：?２０．ＣＯ?ｋＶ?ＶＹＤ：?１４．３３１３?ｍｍ?２０?ｕｉ？?ｒａｌ＾ａｎ??ＰＣ：?１２?Ｓｃａｒｊｓｐｅｅｄ：?５?，Ｈｊ＊Ａｎ?２．１３?ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ??图１－３多晶ＬｉＣｏ０２的ＳＥＭ照片［１３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ＬｉＣｏ〇２?ｗｉｔｈ?ｍｕｌｔｉｐｌｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１１３１??第二阶段？？大粒度单晶ＬｉＣｏ０２［１５］。为了提高ＬｉＣｏ０２材料的循环性能以及极片的??压实密度，研究人员通过提高焙烧温度合成单晶型的Ｃ〇３０４，然后再合成８？１２?ｐｍ的??单晶ＬｉＣｏ０２颗粒，典型的单晶ＵＣｏ０２的颗粒形貌如图１－４所示［９］。通过合成大单晶??的ＬｉＣ〇０２，材料的循环性能得到较大的提高，更重要的是极片的压实密度由３．５？３．７??ｇ＿ｃｍ＿３增加到４．０？４．２?ｇ＇ｃｎＴ３
【参考文献】：
期刊论文
[1]MnCO3微球的可控制备、表征及高温热分解行为[J]. 许乃才,刘忠,边绍菊,董亚萍,李武. 材料导报. 2016(16)
[2]洗涤和热处理对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料结构和电化学充放电性能的影响（英文）[J]. 李荐,陈宝荣,周宏明. 无机材料学报. 2016(07)
[3]高容量锂离子电池正极材料LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2的合成及电化学性能[J]. 胡国荣,刘强,杜柯,彭忠东,曹雁冰,刘万民. 无机化学学报. 2012(06)
[4]氟化尖晶石锰酸锂LiMn2O4-zFz锂电池正极材料研究[J]. 林茹,刘超锋. 电源技术. 2010(01)
[5]固相法制备锂离子电池正极材料LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2[J]. 刘亚飞,陈彦彬,白厚善. 电源技术. 2007(09)
[6]高性能LiCoO2的制备与性能表征[J]. 梅佳,钟盛文,张骞,何立强,王茹英,刘庆国. 电源技术. 2007(02)
[7]Co3O4对LiCoO2电化学性能的影响[J]. 胡国荣,石迪辉,张新龙,刘智敏,方正升. 电池. 2006(04)
[8]正极材料LiNiO2贮存问题的研究[J]. 赵煜娟,夏定国,刘庆国. 电池. 2005(01)
[9]Li1+δNi1-xCoxO2-yFy的合成与电化学性能研究[J]. 刘兴泉,林晓静,何泽珍,唐毅,李淑华,唐建川. 化学学报. 2004(05)
[10]S掺杂LiMn2O4尖晶石的合成与性能[J]. 夏君磊,夏君旨,刘韩星. 材料导报. 2003(S1)
本文编号：3283555
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１锂离子电池的（ａ）内部结构示意图［１］和（ｂ）工作原理示意图［２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?（ａ）?ｔｈｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ１＾?ａｎｄ?（ｂ）?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?Ｌｉ－ｉｏｎ??ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［２Ｊ??２??
?锂离子电池的优异性能与其独特的工作原理密切相关。锂离子电池的内部结构及??工作原理如图１－１所示，锂离子电池主要由五个部分构成，分别为正极、负极、电解??液、隔膜和外壳［１＇２］。正极材料主耍为锂的过渡金属氧化物或鱗酸盐，如ＬｉＣｏ０２、??ＬｉＮｉｍＣｃ＾ＭｎｙＣ＾、ＬｉＭｎ２〇４和ＬｉＦｅＰ０４，负极材料主要包括石墨碳材料（如人造石??墨和天然石墨）、ＭＣＭＢ中间相碳微球、Ｓｉ－Ｃ复合材料、硬碳以及〇４丁丨５０１２等，电解??液为约１?ｍｏｌＬ—１?ＬｉＰＦ６＆ＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣ等的有机溶液、隔膜一般为聚烯烃树脂，常??用的隔膜为单层或多层的聚丙烯（ＰＰ）和聚乙烯（ＰＥ）微孔膜，外壳主耍有钢壳、铝壳和??铝塑膜等。电池充电时，Ｌｉ＋从正极材料的晶格中脱嵌，穿过隔膜，插入负极材料的晶??格中，放电时，Ｌｉ＋从负极脱出，穿过隔膜，嵌入正极，锂离子电池是通过Ｌｉ＋在正负??极之间的来回穿梭实现对能景的存储和释放的
ＬｉＣ〇０２的技术发展主耍经历了以下三个阶段：??弟一■阶段？？多晶ＬｉＣｏＣ＾Ｍ。最早商业化应用的ＬｉＣｏ〇２材料是由２￣３?ｆｘｍ的一次??颗粒组成的粒度为８？１０?的二次颗粒，材料的典型微观形貌如图１－３所示［１３］，该类??型材料虽然放电比容量也较高，但是材料的循环性能不太理想，而且材料的压实密度??只有３．６？３．８ｇ．ｃｎＴ３，电池能量密度偏低間。?－??纖??ＳＩ?Ｍ?：ＵＡＣ：?５．（ＸＪ?ｋＨ?Ｗ?ｒ：?Ｓｔ?Ｄｅｆｅｃｔｏｒ?Ｉ?：?；?；?｜??ＭＶ?：?２０．ＣＯ?ｋＶ?ＶＹＤ：?１４．３３１３?ｍｍ?２０?ｕｉ？?ｒａｌ＾ａｎ??ＰＣ：?１２?Ｓｃａｒｊｓｐｅｅｄ：?５?，Ｈｊ＊Ａｎ?２．１３?ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ??图１－３多晶ＬｉＣｏ０２的ＳＥＭ照片［１３］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ＬｉＣｏ〇２?ｗｉｔｈ?ｍｕｌｔｉｐｌｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１１３１??第二阶段？？大粒度单晶ＬｉＣｏ０２［１５］。为了提高ＬｉＣｏ０２材料的循环性能以及极片的??压实密度，研究人员通过提高焙烧温度合成单晶型的Ｃ〇３０４，然后再合成８？１２?ｐｍ的??单晶ＬｉＣｏ０２颗粒，典型的单晶ＵＣｏ０２的颗粒形貌如图１－４所示［９］。通过合成大单晶??的ＬｉＣ〇０２，材料的循环性能得到较大的提高，更重要的是极片的压实密度由３．５？３．７??ｇ＿ｃｍ＿３增加到４．０？４．２?ｇ＇ｃｎＴ３
【参考文献】：
期刊论文
[1]MnCO3微球的可控制备、表征及高温热分解行为[J]. 许乃才,刘忠,边绍菊,董亚萍,李武. 材料导报. 2016(16)
[2]洗涤和热处理对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料结构和电化学充放电性能的影响（英文）[J]. 李荐,陈宝荣,周宏明. 无机材料学报. 2016(07)
[3]高容量锂离子电池正极材料LiNi0.9Co0.05Mn0.025Mg0.025O2的合成及电化学性能[J]. 胡国荣,刘强,杜柯,彭忠东,曹雁冰,刘万民. 无机化学学报. 2012(06)
[4]氟化尖晶石锰酸锂LiMn2O4-zFz锂电池正极材料研究[J]. 林茹,刘超锋. 电源技术. 2010(01)
[5]固相法制备锂离子电池正极材料LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2[J]. 刘亚飞,陈彦彬,白厚善. 电源技术. 2007(09)
[6]高性能LiCoO2的制备与性能表征[J]. 梅佳,钟盛文,张骞,何立强,王茹英,刘庆国. 电源技术. 2007(02)
[7]Co3O4对LiCoO2电化学性能的影响[J]. 胡国荣,石迪辉,张新龙,刘智敏,方正升. 电池. 2006(04)
[8]正极材料LiNiO2贮存问题的研究[J]. 赵煜娟,夏定国,刘庆国. 电池. 2005(01)
[9]Li1+δNi1-xCoxO2-yFy的合成与电化学性能研究[J]. 刘兴泉,林晓静,何泽珍,唐毅,李淑华,唐建川. 化学学报. 2004(05)
[10]S掺杂LiMn2O4尖晶石的合成与性能[J]. 夏君磊,夏君旨,刘韩星. 材料导报. 2003(S1)
本文编号：3283555
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3283555.html
