论文摘要
锂离子电池的能量密度很大程度上取决于正极材料,但目前常用的正极材料的比容量均低于200mAh g-1,严重限制了锂离子电池在电动汽车等领域的大规模应用。因此,开发具有高比容量的新型正极材料成为当前的研究热点。本论文在调研当前国内外有关锂离子电池正极材料的研究基础上,以高容量、高电压的新型层状复合富锂锰基正极材料Li [LixNiyMnzCo1-x-y-z]O2作为研究对象,系统研究了合成方法对材料组分、结构和电化学性能影响。以共沉淀法制备Li[LixNi0.34-xMno.47Co0.19]O2（0.18≤x≤0.21）,分别研究了过渡金属乙酸盐、硫酸盐、氯化物和硝酸盐对材料性能的影响。其中,硝酸盐为原料制备出的样品由于Li2MnO3相含量较高而表现出了最佳的电化学性能：该样品在20 mA g-1的电流密度下的首次放电比容量高达295.6 mA h g-1,并且具有优异的循环性能。通过对不同冷却速度（液氮淬火、室温淬火和随炉冷却）所得Li[Li0.19Ni0.14Mn0.53Co0.14]O2的研究发现,冷却模式对材料的相组成和粒径影响较小,但快速冷却可以提高层状结构的完整性,减小阳离子的混排程度,提高SEI膜的稳定性并减少充放电过程中的极化。同时,快速冷却可以明显提高富锂复合层状材料中Li2MnO3组分的电化学活性,从而提高其电化学性能。因此,液氮淬火的样品具有最好的电化学性能,该样品在电流密度为20mA g-1时的首次放电比容量可达285.6 mAh g-1,当电流密度增大到500 mA g-1,首次放电比容量为153.6 mAh g"1,循环30次之后容量保持率仍在86%以上。采用共沉淀法分别以乙酸锂、氢氧化锂、碳酸锂和硝酸锂为锂源合成了Li[Li0.14Ni0.25Mn0.47Co0.14]O2,并对材料的结构、形貌、电导率以及电化学性能进行了详细研究,结果如下：碳酸锂为锂盐的样品层状结构最完整、电化学阻抗最小、电导率最高,首次充电过程中形成的MnO2在后续的电化学反应中具有较高的电化学活性,具有最高的首次放电比容量和最好的倍率性能。在20 mA g-1和500 mA g-1的电流密度下的首次放电比容量分别为279.4 mAh g-1和187.2 mAh g-1。氢氧化锂为锂源的样品较小的比表面积提高了转移电阻的稳定性,进而提高了其循环稳定性,在500 mAg-1的电流密度下循环30次的容量保持率仍可以达到92%。论文中还设计了一种新型的室温固相反应法,以草酸和金属乙酸盐为原料制备出了层状富锂锰复合正极材料Li1.13Ni0.25Mn0.50Co0.12O2。研究发现,最佳的合成工艺为：将前驱体先在350℃热处理3小时,然后升温至900℃煅烧16小时后室温淬火,按此工艺合成的样品具有最佳的电化学性能。