锂离子电池低钴富锂正极材料的掺杂改性研究

发布时间：2017-10-08 14:00

  本文关键词：锂离子电池低钴富锂正极材料的掺杂改性研究

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【摘要】：锂离子电池自问世以来,发展较为迅速。目前,锂离子电池已在多个领域得到应用。但是其在循环寿命和安全性等方面还存在问题。而正极材料是制约锂电池进一步大规模应用的关键因素。近年来,富锂材料xLi_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(0x1,M=Mn,Co,Ni)由于比容量高,成本低收到人们的关注。由于Co组分成本高,且有毒性,本文选择合成低钴富锂材料,并对其进行掺杂改性,以改善材料的循环性能。采用共沉淀合成Mg掺杂Li_(1.17)Ni_(0.25)Mn_(0.58)O_2材料,并探究掺杂对材料结构和电化学性能的影响。结果表明所合成的材料具有良好的层状结构,平均粒径在200 nm左右。掺杂后,材料的放电容量得到提高。2 C倍率下样品Li_(1.17)Ni_(0.25)-xMn_(0.58)Mg_x O_2(x=0、0.01、0.02、0.05)的首次放电比容量分别为116.6、142、155.9和62.4 mAh·g~(-1),循环100次后,容量分别为107.8、127.6、148.3和54.5 mAh·g~(-1)。当掺杂量为0.02时材料的性能达到最佳,55°C下,其1 C的首次放电比容量达到214.1 mAh·g~(-1)。采用溶胶凝胶法合成Al掺杂Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)O_2。材料的平均粒径在100-200nm,掺杂后材料的粒径和结构没有明显变化。当掺杂量为0.05时,材料的循环性能最佳。在0.2 C倍率下,纯样和Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.03)A_(0.05)O_2的首次放电比容量分别为164.4和225.4 mAh·g~(-1)。在2 C倍率下循环100次,两种材料的容量保持率分别为78.7%和99.3%。CV测试表明适量掺杂可减小电极材料的电化学极化,当掺杂量为0.05时,电极的极化程度最小。EIS谱图说明掺杂后材料的电荷转移电阻变小,锂离子扩散系数变大。采用溶胶凝胶法合成Fe掺杂Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)O_2。XRD图谱说明所合成的材料具有良好的层状结构,Fe~(3+)并没有改变材料的结构。SEM图说明掺杂没有明显改变样品的形貌,但掺杂后材料表面发生团聚。在2 C倍率充放电循环中,Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08-x)Fe_x O_2(x=0、0.01、0.03、0.05、0.08)的首次放电比容量分别为70.8、79.6、85.8、108.9和82.6 mAh·g~(-1),100次循环后其容量分别为73.2、75.2、85.3、104.7和74.8 mAh·g~(-1)。循环伏安测试表明掺杂样品Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.03)Fe_(0.05)O_2氧化还原峰峰值差更小,材料的可逆性更好。EIS测试表明掺杂后电荷转移电阻Rct值变小,锂离子的嵌入过程阻力变小,更有利于锂离子的扩散。计算知纯样和Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.03)Fe_(0.05)O_2的扩散系数分别为3.67×10~(-17) cm~2·s~(-1)和2.52×10~(-16) cm~2·s~(-1）,说明掺杂后材料的扩散系数增大。
【关键词】：锂离子电池 正极材料 富锂材料 低钴 掺杂
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 前言9-22
• 1.1 引言9
• 1.2 锂离子电池简介9-10
• 1.3 锂离子电池正极材料的研究进展10-21
• 1.3.1 层状材料10-12
• 1.3.2 尖晶石型材料12-13
• 1.3.3 聚阴离子型材料13-14
• 1.3.4 富锂材料14-21
• 1.4 本文研究的目的和主要内容21-22
• 第二章 实验材料和测试方法22-27
• 2.1 实验药品及仪器设备22-23
• 2.1.1 实验材料22-23
• 2.1.2 实验仪器23
• 2.2 电极材料的制备23-25
• 2.2.1 Li_(1.17)Ni_(0.25-x)Mn_(0.58)Mg_xO_2 (0≤ x≤ 0.05)正极材料的制备23-24
• 2.2.2 Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08)及掺杂材料的制备24-25
• 2.3 电池的组装25
• 2.4 电极材料表征25-27
• 2.4.1 X射线衍射分析(XRD)25-26
• 2.4.2 扫描电子显微镜测试(SEM)26
• 2.4.3 透射电镜(TEM)和EDS mapping测试26
• 2.4.4 充放电测试26
• 2.4.5 循环伏安测试(CV)26
• 2.4.6 电化学阻抗谱测试(EIS)26-27
• 第三章 Li_(1.17)Ni_(0.25-x)Mn_(0.58)Mg_xO_2 (0≤ x≤ 0.05)的结构及性能27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 结果与分析27-39
• 3.2.1 Li_(1.17)Ni_(0.25-x)Mn_(0.58)Mg_xO_2 (0≤ x≤ 0.05)的结构及形貌分析27-29
• 3.2.2 正极材料电化学性能表征29-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08-x)Al_xO_2 (0≤ x≤ 0.08)的结构及性能40-53
• 4.1 引言40
• 4.2 结果与分析40-51
• 4.2.1 Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08-x)Al_xO_2 (0≤ x≤ 0.08)的结构及形貌分析40-44
• 4.2.2 正极材料电化学性能表征44-51
• 4.3 本章小结51-53
• 第五章 Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08-x)Fe_xO_2 (0≤ x ≤ 0.08)的结构及性能53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 结果与讨论53-62
• 5.2.1 Li_(1.2)Mn_(0.56)Ni_(0.16)Co_(0.08-x)Fe_xO_2 (0≤ x≤ 0.08)结构及形貌分析53-57
• 5.2.2 正极材料电化学性能表征57-62
• 5.3 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 本文特色与创新之处70-71
• 在学研究成果71-72
• 致谢72

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