高镍基锂离子电池正极材料的制备及电化学性能的研究
发布时间：2021-12-19 17:12
面对日益严重的资源压力和环境危机,发展可再生能源被认为是亟待需要解决的技术问题。高镍基三元材料LiNi1-x-yCoxMnyO2因其高比容量成为锂离子电池正极材料中最具有应用前景的候选材料,因此对高能量电池材料的研究有着重要的意义。本文主要以NiSO4·6H2O、CoSO4·7H2O和MnSO4·H2O为原料,用共沉淀法制备三元前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1（OH）2,与LiOH·H2O球磨混合后,通过高温固相法烧结,最终获得高镍基锂离子电池三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。主要以LiNi0.8Co0.1Mn...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理图
重庆大学硕士学位论文4隙层隔开。其中Li+和Co3+分别位于八面体的3a和3b位置，由紧密堆积的氧离子层隔开。图1.2层状LiCoO2的晶体结构图Fig.1.2CrystalstructureoflayeredLiCoO2在完全锂化状态下，LiCoO2保持为六方晶型的层状结构，在充电期间Li会从层状结构中脱出，在脱出50%的锂后，材料会由六方相转化到单斜相，因此会形成非化学计量比的Li1-xCoO2化合物。根据锂含量的不同，缺锂化合物具有不同的晶体结构。因此，与理论容量（280mAh/g）相比，这种材料具有的固有属性（结构不稳定性）降低了LiCoO2的实际电化学容量（可达到的最大值为140mAh/g）。由于LiCoO2的高成本以及实际比容量低，这限制了锂离子电池性能的进一步提高和更为广泛的应用，基于此研究者们提出了一种基本上与LiCoO2等结构的层状LiNiO2，并作为可能的替代物进行了研究。LiNiO2比LiCoO2成本更低且具有更优异的可逆容量，但在实验室中却难以合成理想的R3m层状结构的LiNiO2，主要是因为在合成过程中，很难控制锂离子向过渡金属层的迁移，这大大降低了其电化学活性[7]。2001年Ohzuku等[8]提出了另一种方法制备二元LiNi0.5Mn0.5O2锂离子电池正极材料，它是LiNiO2和LiMnO2以1：1比例混合的固溶体化合物。在该类材料中，镍处于+2价，发生Ni2+→Ni4+的变化，而Mn处于+4价不变[9]，因此Mn4+在电化
重庆大学硕士学位论文6另一个则是由于Mn3+离子的存在而引起的Jahn-Teller效应，从而材料结构发生尖晶石相到四方相的不可逆相变过程[23,24]。图1.3尖晶石iLiMn2O4的晶体结构图Fig.1.3CrystalstructureofspinelLiMn2O4尽管这些尖晶石氧化物成本低且安全，但其实际能量密度与其他正极材料不具有可比性，为了改善材料的电化学性能，人们提出了各种方法来抑制Mn的溶解并使容量衰减达到最校在这些方法中，掺杂在提高LiMn2O4的电化学性能中起着重要的作用。通过各种掺杂如Ni，Mg，Ti，Zn，Al，Cr，Fe等，认为它们抑制了Jahn-Teller效应中活性Mn3+离子的形成，最终抑制其电化学性能的恶化[25]。其中Ni掺杂LiMn2O4组成的LiNi0.5Mn1.5O4具有最佳的电化学性能，具有高工作电压和良好的倍率性能[26]。在充放电循环期间，LiNi0.5Mn1.5O4中Ni处于+2价，Mn处于+4价。由于合成条件的不同，LiNi0.5Mn1.5O4材料存在不同的结构：（1）无序的LiNi0.5Mn1.5O4-δ，其所属空间群为Fd3m；（2）有序化学计量LiNi0.5Mn1.5O4，空间群为P432[27,28]。
本文编号：3544746
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理图
重庆大学硕士学位论文4隙层隔开。其中Li+和Co3+分别位于八面体的3a和3b位置，由紧密堆积的氧离子层隔开。图1.2层状LiCoO2的晶体结构图Fig.1.2CrystalstructureoflayeredLiCoO2在完全锂化状态下，LiCoO2保持为六方晶型的层状结构，在充电期间Li会从层状结构中脱出，在脱出50%的锂后，材料会由六方相转化到单斜相，因此会形成非化学计量比的Li1-xCoO2化合物。根据锂含量的不同，缺锂化合物具有不同的晶体结构。因此，与理论容量（280mAh/g）相比，这种材料具有的固有属性（结构不稳定性）降低了LiCoO2的实际电化学容量（可达到的最大值为140mAh/g）。由于LiCoO2的高成本以及实际比容量低，这限制了锂离子电池性能的进一步提高和更为广泛的应用，基于此研究者们提出了一种基本上与LiCoO2等结构的层状LiNiO2，并作为可能的替代物进行了研究。LiNiO2比LiCoO2成本更低且具有更优异的可逆容量，但在实验室中却难以合成理想的R3m层状结构的LiNiO2，主要是因为在合成过程中，很难控制锂离子向过渡金属层的迁移，这大大降低了其电化学活性[7]。2001年Ohzuku等[8]提出了另一种方法制备二元LiNi0.5Mn0.5O2锂离子电池正极材料，它是LiNiO2和LiMnO2以1：1比例混合的固溶体化合物。在该类材料中，镍处于+2价，发生Ni2+→Ni4+的变化，而Mn处于+4价不变[9]，因此Mn4+在电化
重庆大学硕士学位论文6另一个则是由于Mn3+离子的存在而引起的Jahn-Teller效应，从而材料结构发生尖晶石相到四方相的不可逆相变过程[23,24]。图1.3尖晶石iLiMn2O4的晶体结构图Fig.1.3CrystalstructureofspinelLiMn2O4尽管这些尖晶石氧化物成本低且安全，但其实际能量密度与其他正极材料不具有可比性，为了改善材料的电化学性能，人们提出了各种方法来抑制Mn的溶解并使容量衰减达到最校在这些方法中，掺杂在提高LiMn2O4的电化学性能中起着重要的作用。通过各种掺杂如Ni，Mg，Ti，Zn，Al，Cr，Fe等，认为它们抑制了Jahn-Teller效应中活性Mn3+离子的形成，最终抑制其电化学性能的恶化[25]。其中Ni掺杂LiMn2O4组成的LiNi0.5Mn1.5O4具有最佳的电化学性能，具有高工作电压和良好的倍率性能[26]。在充放电循环期间，LiNi0.5Mn1.5O4中Ni处于+2价，Mn处于+4价。由于合成条件的不同，LiNi0.5Mn1.5O4材料存在不同的结构：（1）无序的LiNi0.5Mn1.5O4-δ，其所属空间群为Fd3m；（2）有序化学计量LiNi0.5Mn1.5O4，空间群为P432[27,28]。
本文编号：3544746
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