球形高密度LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的合成优化和性能研究

论文摘要

传统锂离子电池正极材料LiCoO2在安全性能和价格方面的缺陷极大地限制了它的广泛应用。作为LiCoO2的替代者,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2不仅具有可与其相媲美的电化学性能,同时安全性能出色,且更具价格优势。在应用领域方面,这种材料能够从小型高能量密度电源领域拓展到电动车电源等大功率动力电池领域。因此,LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2逐渐成为近年来的研究热点。其中,具有规则的球形形貌的产品具有较高的比能量密度,出色的流动性、稳定性和加工性能,应用前景广阔,最具有研究价值。本论文通过氢氧化物共沉淀法合成Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2作为前驱体,然后通过高温煅烧合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2活性材料。论文又通过扫描电镜（SEM）,X射线衍射（XRD）和恒电流充放电测试分别对产品形貌、晶体结构和电化学性能进行表征。本论文采用不同的实验路线探索了共沉淀法合成球形高密度产品方法,得出了合成形貌规则、粒径均一的球形颗粒的有效途径,并对球形颗粒的形成原理以及络合剂在合成过程中所起的作用做了深入细致的探讨。此外,本文还就共沉淀过程中各项合成参数,如:络合剂用量和浓度、pH值、过渡金属离子和沉淀剂的浓度、加料速度和搅拌速度等,对产品形貌的影响做了细致和深入的研究,并优化出在空气气氛下合成Ni1/3Co1/3Mn1/3（OH）2的最佳工艺参数。研究结果极大地简化和方便了前驱体的实验室合成,并为工业化应用提供了实验依据。本论文还对高温固相合成阶段的一些参数,如:锂盐的含量、煅烧时间和温度的选择等因素对材料形貌、结构、电化学性能的影响做了较为深入的探讨。优化条件下合成的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料首次放电容量达到155.7 mAh·g-1,50次循环后放电容量仍然维持在154.1 mAh·g-1,容量保持率为99.0%;同时,粉末材料的振实密度达到2.23 g·cm-3,符合工业化生产要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池发展简史及原理简介
• 1.3 锂离子电池正极材料的研究进展
• 2'>1.3.1 LiCoO₂
• 2'>1.3.2 LiNiO₂
• 2和LiMn₂O₄'>1.3.3 LiMnO₂和LiMn₂O₄
• 4'>1.3.4 LiFePO₄
• 1.3.5 复合型正极材料
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂'>1.3.6 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂
• 1.4 本课题研究的内容和意义
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 材料性能测试方法
• 2.2.1 热重法（TG）
• 2.2.2 X-射线粉末衍射（XRD）
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.4 振实密度
• 2.2.5 前驱体组成的测定
• 2.2.6 模拟电极的制备和电池的组装
• 2.2.7 充放电测试
• 2.2.8 循环伏安法测试
• 2.2.9 交流阻抗测试
• 第三章 球形产品的合成探索和性能研究
• 3.1 实验装置和合成路线
• 3.2 球形高密度颗粒合成方式的探讨
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ 的合成'>3.2.1 前驱体和LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的合成
• 3.2.2 产品形貌表征和分析
• 3.2.3 产品晶体结构表征和分析
• 3.2.4 电化学性能对比
• 3.3 本章小结
• 第四章 氢氧化物前驱体的合成和优化
• 4.1 共沉淀过程实验参数的优化
• 4.1.1 络合剂用量对前驱体形貌的影响
• 4.1.2 不同pH 值对前驱体形貌的影响
• 4.1.3 不同过渡金属离子浓度对前驱体形貌的影响
• 4.1.4 不同加料速度对前驱体形貌的影响
• 4.1.5 不同搅拌速度对前驱体形貌的影响
• 4.1.6 不同沉淀剂浓度对前驱体形貌的影响
• 4.1.7 不同络合剂浓度对前驱体形貌的影响
• 4.2 本章小结
• 1/3CO_1/3MN_1/3O₂的合成条件优化'>第五章 LINI_1/3CO_1/3MN_1/3O₂的合成条件优化
• 1/3Co_1/3MN_1/3O₂ 的制备'>5.1 LINI_1/3Co_1/3MN_1/3O₂的制备
• 5.1.1 前驱体成分的确定
• 5.1.2 煅烧程序的确定
• 1/3Co_1/3MN_1/3O₂ 的煅烧温度的优化'>5.2 LINI_1/3Co_1/3MN_1/3O₂的煅烧温度的优化
• 5.2.1 煅烧温度对产品形貌的影响
• 5.2.2 煅烧温度对产品结构的影响
• 5.2.3 煅烧温度对产品电化学性能的影响
• 1/3Co_1/3MN_1/3O₂ 的煅烧时间的优化'>5.3 LINI_1/3Co_1/3MN_1/3O₂的煅烧时间的优化
• 5.3.1 煅烧时间对材料形貌的影响
• 5.3.2 煅烧时间对材料结构的影响
• 5.3.3 煅烧时间对产品电化学性能的影响
• 5.4 煅烧前LI/M 比例的优化
• 5.4.1 不同锂盐量对形貌的影响
• 5.4.2 不同锂盐量对材料结构的影响
• 5.4.3 不同锂盐量对材料电化学性能的影响
• 5.4.4 最优产品的循环伏安（CV）研究
• 5.4.5 电化学阻抗（EIS）研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文