锂离子电池正极材料LiNi0.85-xCo0.15MnxO2的制备及性能研究

论文摘要

LiNi1-x-yCoxMnyO2电极材料是当前锂离子电池新一代正极材料的研究热点之一。本文采用XRD（X-ray radial diffraction，X射线衍射分析）、XPS（X-ray photoelectron spectroscopy，X射线光电子能谱）、SEM（Scanning electron microscope，扫描电子显微镜观察）、充放电试验等测试手段，从合成方法、结构特征、表面形貌、晶粒尺寸、电化学性能等方面对材料LiNi0.85-xCo0.15MnxO2进行了研究。在详细考查了锂离子电池正极材料研究进展的基础上，用氨配合氢氧化物共沉淀法和两段连续烧结法合成出低钴含量掺锰氧化物LiNi0.85-xCo0.15MnxO2（x=0、0.1、0.2和0.4）。考察了不同煅烧温度（850℃、900℃和950℃）对LiNi0.45Co0.15Mn0.4O2的结构和电化学性能的影响，并结合SEM分析，发现900℃合成的LiNi0.45Co0.15Mn0.4O2化合物层状结构发育最好，阳离子有序程度最高；颗粒近似球形，表面形貌比较光滑，粒径均一，分散性好，平均粒径在0.6μm左右；而且900℃合成样品的放电容量和循环性能明显优于其它两温度合成样品的电化学性能。研究了掺杂不同锰含量对LiNi0.85-xCo0.15MnxO2材料结构、形貌、晶粒大小和元素价态的影响规律并分析产生变化的原因。XRD结果发现所有样品都形成了六方a-NaFeO2层状结构，但LiNi0.85Co0.15O2的X射线衍射图中存在微量第二相，随锰离子替代镍离子量的增加，含锰各材料中的第二相消失，而且晶胞参数a呈减小趋势，晶胞参数c、c／a和I003／I104值向增大方向变化，阳离子有序度提高。SEM结果表明前驱体Ni0.85-xCo0.15Mnx（OH）2和最终产物LiNi0.85-xCo0.15MnxO2的形貌均随锰含量增加颗粒均匀性增强、粒子尺寸变小，最终产物颗粒形状从块状逐渐向球形转变。掺杂锰元素对材料的平均晶粒大小有抑制生长的作用，任何掺锰试样的晶粒尺寸比未掺锰样品LiNi0.85Co0.15O2的晶粒尺寸呈稍微减小的趋势。通过XPS分析，随着Mn含量x的增加，样品表面的Ni2p，Mn2p和晶格氧β-Ols的结合能逐渐减小，而且锰元素代替镍元素对镍和锰元素的平均价态有减小的趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池过渡金属氧化物正极材料的研究进展
• 1.4 锂镍钴锰多元复合层状氧化物正极材料的研究进展
• 1.5 锂离子电池正极材料的研究意义
• 1.6 本课题选题思想和研究内容
• 2 实验材料与实验方法
• 2.1 实验仪器与材料
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂材料合成方法的确定'>2.2 LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂材料合成方法的确定
• 2.3 材料的性能表征
• 2.4 模具电池的制备与测试
• 0.45Co_0.15Mn_xO₂样品的制备及性能表征'>3 LiNi_0.45Co_0.15Mn_xO₂样品的制备及性能表征
• 0.85-xCo_0.15Mn_x（OH）₂的制备'>3.1 前驱体LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_x（OH）₂的制备
• 0.45Co_0.15Mn_0.4O₂的制备'>3.2 正极材料LiNi_0.45Co_0.15Mn_0.4O₂的制备
• 3.3 锻烧方式的改进
• 0.45Co_0.15Mn_0.4O₂材料的测试表征'>3.4 LiNi_0.45Co_0.15Mn_0.4O₂材料的测试表征
• 0.45Co_0.15Mn_0.4O₂电化学性能测试结果及分析'>3.5 LiNi_0.45Co_0.15Mn_0.4O₂电化学性能测试结果及分析
• 3.6 本章小结
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂电极材料性能影响的研究'>4 锰含量对LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂电极材料性能影响的研究
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂（x=0、0.1和0.2）的制备'>4.1 LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂（x=0、0.1和0.2）的制备
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂结构的影响'>4.2 锰含量对LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂结构的影响
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂形貌的影响'>4.3 锰含量对LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂形貌的影响
• 4.4 本章小结
• 0.85-xCo_0.15Mn_xO₂材料的XPS研究'>5 LiNi_0.85-xCo_0.15Mn_xO₂材料的XPS研究
• 5.1 Mn含量对Ni2p结合能的影响
• 5.2 Mn含量对Mn2p结合能的影响
• 5.3 Mn含量对Co2p结合能的影响
• 5.4 Mn含量对O1s结合能的影响
• 5.5 Mn含量对C吸附量的影响
• 5.7 本章小结
• 6 总结
• 7 对今后工作的建议
• 8 论文的创新点
• 致谢
• 硕士期间论文发表情况
• 参考文献
• 详细摘要