锂离子二次电池正极材料的研究

论文摘要

锂离子二次电池是一种性能优良的化学电源，正极材料性能的改善和提高对其近年来的快速发展起到了关键作用。目前，具有α-NaFeO2型层状结构的LiCoO2已经在商品化的小型锂离子电池中广泛使用，LiCoO2的循环性及倍率放电性能好，但除钴的资源和价格制约因素外，其过充不安全性限制了它在大容量电池的应用。层状LiNiO2化合物价格低、比容量高、对环境友好，被认为是有希望的正极材料，但它合成困难，结构不稳定又导致循环过程的容量衰减，这阻碍了它的实际应用。采用多元素掺杂形成多元固溶体，以提高其结构稳定性和改善其电化学性能，是该材料领域一个普遍使用的方法。 本论文主要研究用作锂离子电池正极材料的层状锂镍钴基氧化物LiNi0.8-xCo0.2AlxO2和锂镍锰基氧化物LiNi0.5Mn0.5O2和LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2的制备工艺、及工艺参数对产物性能的影响。 1．锂镍钴基氧化物的研究 对比了不同方法和不同镍源时合成LiNi0.8-xCo0.2AlxO2的工艺，用X-射线衍射、热重、循环伏安和模拟电池的充放电对所得样品的结构、热稳定性和电化学性能进行了测试。结果表明： 1．1 三价镍源和锂源化合物通过低温固相法在空气中培烧不能得到LiNiO2，原材料中加入钴后，能在空气中合成具有LiNiO2结构的化合物LiNi0.8Co0.2O2。同时加入钴、铝，在空气中比较容易合成具有LiNiO2结构的化合物LiNi0.7Co0.2Al0.1O2。制备LiNi0.7Co0.2Al0.1O2时，用两阶段的烧结方式较好（第一阶段600℃6h，第二阶段750℃10h）。溶胶凝胶法得到的LiNi0.7Co0.2Al0.1O2，分散程度高，颗粒之间发生团聚少。 1．2 用不同镍源在空气中经两阶段烧结后均能得到结晶良好，具有六方层状结构的LiNi0.7Co0.2Al0.1O2化合物。第一阶段烧结条件相同，第二阶段烧结所需温度依β-NiOOH，Ni2O3，Ni（OH）2顺序为700、750、800℃。用三价镍源制得的材料晶胞体积小于亚镍，R值高于亚镍，材料的结晶更好，层状结构更明显。 1．3 铝的添加可使产物的热稳定性得到提高，添加10％铝可使材料的热分解温度提高55℃。

论文目录

• 郑重声明
• 摘要
• Abstract
• 第一章 课题背景
• 1.1 锂离子二次电池的发展
• 1.2 锂离子二次电池工作原理
• 1.3 锂离子电池基本组成
• 1.3.1 锂离子电池正极材料
• 2'>1.3.1.1 层状结构的LiMeO₂
• 2O₄'>1.3.1.2 尖晶石相的LiMn₂O₄
• 4'>1.3.1.3 橄榄石型结构的LiFePO₄
• 1.3.1.4 几种常见锂离子电池正极材料的性能比较
• 1.3.2 负极材料
• 1.3.3 电解质溶液
• 1.3.4 隔膜
• 1.4 本论文的研究目的及主要工作内容
• 第二章 Li-Ni-O基化合物的研究进展
• 2的结构特征'>2.1 LiNiO₂的结构特征
• 2.2 存在问题
• 2.3 制备方法
• 2.3.1 固相法
• 2.3.2 液相法
• 2.3.3 共沉淀法
• 2.3.4 溶胶凝胶法
• 2.4 掺杂改性
• yCo_1-yO₂'>2.4.1 掺钴化合物LiNi_yCo_1-yO₂
• 2.4.2 掺镁或铜的化合物
• 2.4.3 掺杂镓或铝、铁的化合物
• 2.4.4 掺杂钛的化合物
• 2.4.5 联合掺杂的化合物
• 2.4.6 锂镍锰氧化合物
• 2.4.7 锂镍锰氧化合物的掺杂改性
• 2.5 展望
• 0.8-xCo_0.2Al_xO₂的研究'>第三章 锂离子电池正极材料LiNi_0.8-xCo_0.2Al_xO₂的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验仪器及药品
• 3.1.2 材料制备方法
• 3.1.2.1 溶胶凝胶法
• 3.1.2.2 固相法（1）
• 3.1.2.3 固相法（2）
• 3.1.3 模拟电池制作
• 3.1.4 测试
• 3.2 结果及讨论
• 2'>3.2.1 LiNiO₂
• 0.8Co_0.2O₂'>3.2.2 LiNi_0.8Co_0.2O₂
• 0.8-xCo_0.2Al_xO₂'>3.2.3 LiNi_0.8-xCo_0.2Al_xO₂
• 3.2.3.1 不同烧结条件对材料结构的影响
• 0.7Co_0.2Al_0.1O₂材料结构的影响'>3.2.3.2 不同镍源化合物对LiNi_0.7Co_0.2Al_0.1O₂材料结构的影响
• 0.8-xCo_0.2Al_xO₂结构的影响'>3.2.3.3 不同Al含量对产物LiNi_0.8-xCo_0.2Al_xO₂结构的影响
• 0.8-xCo_0.2Al_xO₂材料的热稳定性'>3.2.3.4 不同Al含量时LiNi_0.8-xCo_0.2Al_xO₂材料的热稳定性
• 3.2.3.5 不同Al含量时材料的充放电性能
• 3.2.3.6 不同Al含量时材料的循环伏安特性
• 0.7Co_0.2Al_0.1O₂材料的循环伏安特性'>3.2.3.7 LiNi_0.7Co_0.2Al_0.1O₂材料的循环伏安特性
• 0.7Co_0.2Al_0.08Ga_0.02O₂材料的循环伏安特性'>3.2.3.8 LiNi_0.7Co_0.2Al_0.08Ga_0.02O₂材料的循环伏安特性
• 0.7Co_0.2Al_0.1O₂的扫描电镜分析'>3.2.3.9 LiNi_0.7Co_0.2Al_0.1O₂的扫描电镜分析
• 3.3 小结
• 第四章 锂镍锰系氧化物材料的合成与性能
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原材料及主要仪器
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 模拟电池制作
• 4.1.4 测试
• 4.2 结果及讨论
• 0.7Mn_0.3O₂'>4.2.1 LiNi_0.7Mn_0.3O₂
• 0.5Mn_0.5O₂'>4.2.2 LiNi_0.5Mn_0.5O₂
• 1／3Co_1／3Mn_1／3O₂'>4.2.3 LiNi_1／3Co_1／3Mn_1／3O₂
• 4.2.4 二元和三元镍锰系材料的热重分析
• 0.5Mn_0.5O₂的充放电性能测试'>4.2.5 LiNi_0.5Mn_0.5O₂的充放电性能测试
• 1／3Co_1／3Mn_1／3O₂的充放电性能测试'>4.2.6 干法混合制得LiNi_1／3Co_1／3Mn_1／3O₂的充放电性能测试
• 1／3Co_1／3Mn_1／3O₂的充放电性能测试'>4.2.7 湿法混合制得LiNi_1／3Co_1／3Mn_1／3O₂的充放电性能测试
• 4.3 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢