微波热解包覆层对LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2性能影响的研究

论文摘要

本文首先概述了锂离子电池发展的背景和工作原理,并综述了锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的发展概貌及对其表面包覆改性的研究进展。在此基础上,分别采用葡萄糖为碳源、醋酸锆为ZrO2源和硝酸钙Ca（NO3）2·4H2O（分析纯）、硝酸钴Co（NO3）2·6H2O（分析纯）和硝酸镧La（NO3）3·nH2O（分析纯）混合后形成的溶胶为La0.4Ca0.6CoO3源对LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极材料进行了表面包覆改性研究。通过XRD、SEM和XRF等分析测试手段,研究了LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料和包覆LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的结构、形貌和元素组成。结果表明：C、ZrO2和La0.4Ca0.6CoO3包覆后并未改变LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的晶相结构,但晶格常数有所增大,因此包覆作用不仅来自于颗粒的表面,还有对材料内部晶格产生影响。SEM图像显示碳包覆的LiNi1/3Mn1/3CO1/3O2材料表面变得粗糙。XRF结果均检测出包覆物质的存在,但均比理论值偏低。本文还以包覆后的LiNi1/3Mn1/3CO1/3O2材料为正极,金属锂为负极组成2025扣式电池,进行充放电测试,并进行了两电极交流阻抗分析。测试结果显示,烧结温度400℃,保温时间15min,碳含量为2wt%,溶剂类型为乙醇制得的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的电化学综合性能最佳,在2.75.-4.3V电压下0.2C倍率时首次放电比容量为155.9mAh g-1,循环50次的容量保持率为95.5%,比包覆前LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料提高了10.7%。在2.75-4.3V电压下2C倍率时首次放电比容量为130.8 mAh g-1,循环50次容量保持率为86.1%,比包覆前LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料提高了5.2%。4C、8C倍率下循环50次的容量保持率分别为69.9%和59.8%。与包覆前材料相比,上述倍率下的容量保持率均得到提升,且碳包覆LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料在大倍率下的放电比容量均得到提高,包覆的碳改善了LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的大倍率放电能力和循环稳定性。交流阻抗分析显示LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料包覆碳后有效地抑制了在循环过程中表面膜阻抗的增大,且包覆碳后LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的锂离子扩散系数增大。包覆的碳不仅提高了LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的电子电导率,同时提高了LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的离子电导率,改善了材料的大电流下的放电能力和循环稳定性。通过对氧化锆含量的研究,初步确定包覆Zr02含量为2wt%的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料电化学综合性能较好。在2.75.-4.3V电压下0.2C倍率时首次放电比容量为157.83mAh g-1,循环50次后容量保持率为93.1%,比同样条件下包覆前材料的84.8%和ZrO2含量为3wt%的90%均高。说明包覆ZrO2含量为2wt%的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料提高了材料的循环稳定性。三种包覆物质中循环性能改善最好的是钙钛矿包覆LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料,0.2C循环50次的容量保持率为98.8%,同等条件下碳包覆LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的容量保持率为95.5%,氧化锆包覆LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料的容量保持率为93.1%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的发展简介
• 1.3 锂离子电池的工作原理及组成
• 1.3.1 正极材料
• 1.3.2 负极材料
• 1.3.3 隔离膜
• 1.3.4 电解液
• 1.3.5 外壳及附件
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料概述'>1.4 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料概述
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料结构'>1.4.1 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料结构
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料制备方法'>1.4.2 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料制备方法
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料包覆改性研究'>1.5 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料包覆改性研究
• 1.5.1 碳包覆改性
• 1.5.2 氧化物包覆
• 1.5.3 氟化物包覆
• 1.5.4 磷酸盐包覆
• 1.5.5 小结
• 1.6 选题依据和主要研究内容
• 1.6.1 选题依据
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验设计
• 2.1 实验药品与仪器设备
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器设备
• 2.2 电极的制备及电池组装过程
• 2.2.1 电极材料的制备
• 2.2.2 实验电池的组装
• 2.3 材料的表征
• 2.3.1 结构分析
• 2.3.2 形貌分析
• 2.3.3 元素组成分析
• 2.3.4 充放电循环特性分析
• 2.3.5 电化学阻抗分析
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响'>第三章 微波加热辅助包覆碳对LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响
• 3.1 正交实验
• 3.2 优化实验条件下的实验结果
• 3.3 材料的表征
• 3.3.1 结构分析
• 3.3.2 形貌分析
• 3.3.3 元素分析
• 3.3.4 电化学性能分析
• 3.3.5 交流阻抗分析
• 3.4 小结
• 2对LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响'>第四章 微波加热辅助包覆ZrO₂对LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响
• 4.1 单因素实验
• 4.2 材料的表征
• 4.2.1 结构分析
• 4.2.2 元素分析
• 4.2.3 电化学性能分析
• 4.2.4 交流阻抗分析
• 4.3 小结
• 0.4Ca_0.6CoO₃对LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响'>第五章 微波加热辅助包覆La_0.4Ca_0.6CoO₃对LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂性能的影响
• 5.1 正交试验
• 5.2 优化实验条件下的实验结果
• 5.3 材料的表征
• 5.3.1 结构分析
• 5.3.2 元素分析
• 5.3.3 电化学性能分析
• 5.3.4 交流阻抗分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间主要研究成果