锂离子电池钴酸锂正极材料的改性研究

发布时间：2020-06-29 06:44

【摘要】：目前LiCoO_2主要应用领域为传统3C电子产品。为了在更小的空间释放出更高的能量,LiCoO_2正朝着高电压、高压实密度的方向发展。高电压下能将更多的锂离子从晶体结构中脱出,比容量可以达到180 mA·h/g左右。本文采用固相球磨-烧结法制备了高性能的LiCoO_2正极材料,同时采用了XRD、SEM、电化学工作站及蓝电测试系统等测试方法对材料进行了结构、形貌和电化学性能等方面的表征。首先,通过固相球磨法制备了粒径可控的LiCoO_2正极材料前驱体,之后通过两步烧结法烧结得到LiCoO_2正极材料。本论文探讨了锂钴摩尔比、预烧温度及预烧保温时间、终烧温度及终烧保温时间等工艺条件对材料结构、形貌和电化学性能的影响,最后在较为合适的条件下,制备得到LiCoO_2正极材料。步骤如下:1、制备方法:以四氧化三钴及碳酸锂为原料,乙醇为分散剂,固相球磨制备了LiCoO_2前驱体,后在马弗炉并在空气气氛下经过两步烧结法制备得到了LiCoO_2正极材料。在此过程中探讨出了最佳锂钴摩尔比为1.05:1,低温预烧温度为400oC并保温10 h,经研磨过200目筛网后,高温煅烧温度为850oC且保温8 h。制备得到的LiCoO_2正极材料经过XRD以及SEM等仪器进行了结构的表征。该条件下制备的LiCoO_2正极材料具有良好的电化学性能:在电流密度0.1 C下,首圈充电比容量为192.0 mA?h/g,首圈放电比容量为177.3 mA?h/g,库伦效率为92.4%,50圈后的放电比容量为160.9 mA?h/g,容量保持率为90.8%。2、对优化条件下制备得到的LiCoO_2正极材料进行LPAN掺杂包覆改性,研究发现,高温煅烧所得的LiCoO_2,再加入10%的LPAN后二次高温700oC下进行烧结,制备得到的LiCoO_2正极材料的理化性能是最好的。首圈充电比容量为221.6 mA?h/g,首圈放电比容量181.5 mA?h/g,库伦效率为81.9%,50圈后放电比容量为163.1 mA?h/g,容量保持率为89.9%,具有良好的循环稳定性。3、倍率性能测试,与未包覆LPAN的LiCoO_2正极材料相比较,包覆10%-LPAN的正极材料,在大电流充放电下仍然可以保持一定的放电比容量,在电流密度0.1 C下,首圈放电比容量达到了183.2 mA?h/g,当电流密度为2 C时放电比容量为118.3 mA?h/g,当电流密度回到0.1 C时放电比容量167.9 mA?h/g,容量保持率90.3%。综上表明,在大电流充放电条件下,LPAN包覆可以在材料与电解液之间形成一层保护层,防止电解液分解所导致的材料结构破坏。同时提高了锂离子迁移率,进而有效提高了LiCoO_2正极材料的电化学性能。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ131.11;TM912
【图文】：

锂离子电池,工作原理,充放电原理,锂电池

图 1-2 锂离子电池工作原理[16]g.1-2 the work schematic diagram of lithium-ion batt理如图 1-2 所示。充电与放电过程中，Li+在量的储存及释放。锂电池充放电原理（以层，反应过程如下：1| ( )x x yEC DEC Li M O y 1x x y Li M O xLi xe x nxLi xe Li C x y 1x x y x n O nC Li M O Li C 的特点池[18]与传统电池相比有以下优点：9]；能量密度高；循环性能好，安全性高；

钴酸锂,晶体结构

LiCoO2正极材料iCoO2为六方晶系、空间群为 R3m 且具有 α-NaFeO2型层状结构的晶体中的 6c 位置被 O2-占据，密堆积方式是 ABCABC；O2-构成了o3+占据着 3b 位置，Li+占据 3a 位置，Co3+及 Li+所在的平面分别平行晶格常数 a=2.8166 ，c=14.045 。实际上 Li+和 Co3+与 O2-离子层导致 O2-的分布偏离最紧密堆积结构从而呈现出三方对称。因此在CoO2结构不稳定，循环性能较差，由于 Co4+和 O2-活性大，容易引 Li+脱出量超过 50%，脱锂态 Li1-xCoO2（x＜0.55）就会具有较高的氧解液分解、集流体腐蚀。此外，Li+从 CoO2层间脱出后，将会引起斥力的增大，六方晶体将会沿着 c 轴方向膨胀，CoO2会出现三方[21]系之间的转变。

【参考文献】