锂离子电池用正极材料LiNi0.8Co0.2O2的研究

论文摘要

锂离子电池由于性能优越得到了广泛应用,然而金属钴价格昂贵,使得锂离子电池正极材料LiCoO2成本较高,阻碍了锂离子电池的进一步发展。为了减小锂离子电池正极材料的成本,而又不降低其电化学性能,本论文合成了LiNi0.8Co0.2O2,并对合成条件和材料性能进行了研究。 采用络合-缓冲溶液法制备前驱体Ni0.8Co0.2（OH）2,然后高温焙烧得到LiNi0.8Co0.2O2。运用XRD、SEM、TG等方法测试了材料的物理性能,并运用电化学手段对材料的比容量、倍率性能、循环性能及动力学参数进行了测定。 pH值为11,氨金属比为1∶1时制得的前驱体Ni0.8Co0.2（OH）2,无杂相存在,粒径分布窄,形貌类似球体,松装和振实密度高。以此前驱体在600～800℃烧结不同时间合成LiNi0.8Co0.2O2。其中720℃烧结10h合成的产物具有单一相,类球体,首次放电容量185mAh·g-1,循环20次后保持180mAh·g-1,在1C放电条件下容量130mAh·g-1。 对煅烧温度的研究表明,600℃合成的产物有杂相存在,且放电平台低,容量衰减快。800℃合成的产物晶型完整,晶粒较大,放电容量较高,但容量衰减快。表明过高和过低的温度对材料良好性能的获得都是不利的。 对材料LiNi0.8Co0.2O2进行交流阻抗测试发现,电化学反应阻抗随放电的进行而不断增大,说明电压越高,界面电化学反应速度越快。研究不同温度下合成产物的交流阻抗发现,720℃的电化学反应阻抗最小,600℃最大,说明适当提高温度有利于电化学反应的进行,这从充放电结果也可以看出。 扩散系数测试发现,720℃烧结10h在放电态和充电态的扩散系数值分别为2.861×10-10cm2·s-1和4.014×10-9cm2·s-1,说明随着放电的进行,扩散速度减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 二次锂离子电池的原理与特征
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 特征
• 1.3 正极材料的研究进展
• 1.3.1 正极材料的要求
• 1.3.2 锂钴氧正极材料
• 1.3.3 锂镍氧正极材料
• 1.3.4 锂锰氧
• 1.3.5 其它
• 1.4 锂离子电池产业的发展
• 1.5 本论文研究的内容及目的
• 第二章 实验原理和方法
• 2.1 材料的制备
• 2.1.1 前驱体制备工艺与原理
• 2.1.2 正极材料的制备工艺
• 2.2 材料的电化学性能测试
• 2.2.1 正极的制备
• 2.2.2 负极的制备
• 2.2.3 隔膜与电解液
• 2.2.4 扣式实验电池的组装
• 2.2.5 充放电制度
• 2.2.6 比容量测试
• 2.2.7 循环寿命测试
• 2.2.8 倍率性能测试
• 2.3 实验
• 2.3.1 三电极实验电池的组装
• 2.3.2 锂离子扩散系数的测定
• 0.8Co_0.2O₂的循环伏安测试'>2.3.3 LiNi_0.8Co_0.2O₂的循环伏安测试
• 0.8Co_0.2O₂的交流阻抗测试'>2.3.4 LiNi_0.8Co_0.2O₂的交流阻抗测试
• 2.4 材料的表征
• 2.4.1 热重分析（TGA）
• 2.4.2 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.4 粒径测试
• 2.4.5 比表面分析（BET）
• 2.4.6 化学元素分析（ICP）
• 0.8Co_0.2（OH）₂)的合成研究'>第三章 前驱体氢氧化镍钴(Ni_0.8Co_0.2（OH）₂)的合成研究
• 3.1 前言
• 3.2 各工艺条件对前驱体密度与粒径的影响因素研究
• 3.2.1 pH值的影响
• 3与金属盐浓度比的影响'>3.2.2 NH₃与金属盐浓度比的影响
• 3.2.3 进料口位置的影响
• 3.2.4 搅拌速度的影响
• 3.3 产品的物化性能分析
• 3.3.1 松装密度和振实密度
• 3.3.2 XRD表征
• 3.3.3 化学成份分析
• 3.4 小结
• 0.8Co_0.2O₂)的合成及电性能研究'>第四章 锂镍钴氧(LiNi_0.8Co_0.2O₂)的合成及电性能研究
• 4.1 前言
• 0.8Co_0.2O₂)的合成原料及反应机理分析'>4.2 锂镍钴氧(LiNi_0.8Co_0.2O₂)的合成原料及反应机理分析
• 4.2.1 原料的选择
• 4.2.2 反应机理分析
• 4.2.3 不同前驱体对材料形貌的影响
• 4.2.4 气氛对产物结构的影响
• 4.2.5 焙烧温度对产物物相和形貌的影响
• 4.3 不同条件下产物的电化学性能
• 4.3.1 不同气氛对产物电化学性能的影响
• 4.3.2 不同前驱体合成的产物对电化学性能的影响
• 4.3.3 热处理制度对产物电化学性能的影响
• 4.4 化学成份分析
• 0.8Co_0.2O₂在锂离子电池中的应用'>4.5 LiNi_0.8Co_0.2O₂在锂离子电池中的应用
• 4.6 小结
• 第五章 锂镍钴氧电极材料的动力学性能研究
• 5.1 引言
• 0.8Co_0.2O₂电极中锂离子扩散性能研究'>5.2 LiNi_0.8Co_0.2O₂电极中锂离子扩散性能研究
• 0.8Co_0.2O₂中锂离子扩散系数的理论推导'>5.2.1 LiNi_0.8Co_0.2O₂中锂离子扩散系数的理论推导
• 0.8Co_0.2O₂电极中锂离子扩散系数测定'>5.2.2 LiNi_0.8Co_0.2O₂电极中锂离子扩散系数测定
• 0.8Co_0.2O₂电极材料的循环伏安研究'>5.3 LiNi_0.8Co_0.2O₂电极材料的循环伏安研究
• 0.8Co_0.2O₂电极材料的交流阻抗研究'>5.4 LiNi_0.8Co_0.2O₂电极材料的交流阻抗研究
• 5.4.1 锂离子电池正极材料的脱／嵌锂反应过程
• 5.4.2 模型假设
• 5.4.3 等效电路的建立
• 5.4.4 锂离子电池正极材料交流阻抗的理论推导
• 0.8Co_0.2O₂的交流阻抗图谱'>5.4.5 LiNi_0.8Co_0.2O₂的交流阻抗图谱
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间所获奖励