复合型锂离子电池正极材料的合成及性能研究

论文摘要

锂离子电池是在锂电池研究的基础上发展起来的一种新型蓄电池。与传统的原电池相比，锂离子电池具有电压高，放电平稳等特点。因此研究锂离子电池正极材料有着重要的现实意义。目前正在开发的正极材料有很多种，其中主要有：LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4。但这些单一的正极材料都各有优缺点。近年来的研究发现了一些新型的镍、钴和锰混合形成具有层状结构的复合型正极材料。较之单一正极材料，它们有着突出的优点，比如电化学容量高，循环性能好，合成容易，成本低等，所以具有很大的潜力和发展。因此，开发实用复合型正极材料将是锂离子电池未来发展的重要方向。鉴于上述理由，本论文进行了这一方面的研究。实验第一部分采用共沉淀法合成锂离子电池正极材料前驱物，研究了不同原料、沉淀剂、pH值、反应温度等对合成产物结构和性能的影响。实验结果表明，原料和pH值对产物影响较大。本文以前驱物中镍、钴、锰的含量及粉末颗粒形貌等为指标，讨论了合成正极材料的最优实验条件，并在此基础上合成出性能优良的正极材料前驱物。优化后得到的Ni1／3Co1／3Mn1／3C2O4的合成条件为：沉淀剂为（NH4）2C2O4，pH值为7.0左右，温度为55℃-60℃，搅拌时间大于0.5h。结果表明，合成所得产物中镍钴锰含量较为均匀，粉体晶粒结构良好。碳酸盐前驱物Ni1／3Co1／3Mn1／3CO3的合成过程中，沉淀剂为NaHCO3，pH在8.0左右，其他条件与草酸盐沉淀反应类似。实验第二部分将优化后得到的前驱物进行煅烧合成锂离子电池正极材料LiCo1／3Ni1／3Mn1／3O2，研究不同烧结温度、不同烧结时间等条件对材料性能的影响。并通过ICP-AES、XRD、SEM等方法对正极材料的结构和性能进行了检测，结果发现在产物中Ni、Co、Mn分别以+2、+3、+4的形式存在。还对其进行电化学性能测试，草酸盐和碳酸盐前驱物烧结得到的正极材料均表现出良好的电化学性能。初次放电容量分别为146.0mAh·g-1和159.2mAh·g-1，也具有良好的循环性能，经过20次循环后，放电容量仅衰减2.4％和9.6％。最后，本论文对锂离子电池正极材料合成工艺进行了系统分析，为进一步优化材料的性能以及规模化生产提供了一定的理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的组成、工作原理及特点
• 1.2.1 锂离子电池的组成
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的特点
• 1.3 锂离子电池正极材料的研究现状
• 1.3.1 锂钴氧化物
• 1.3.2 锂镍氧化物
• 1.3.3 锂锰氧化物
• 1.3.4 其他正极材料
• 1.4 锂离子电池正极材料的主要制备方法
• 1.4.1 固相法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法
• 1.4.3 共沉淀法
• 1.4.4 喷雾干燥法
• 1.5 镍钴锰三元复合正极材料的研究
• 1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂的结构特点'>1.5.1 LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂的结构特点
• 1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂电化学性能研究'>1.5.2 LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂电化学性能研究
• 1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂制备方法研究'>1.5.3 LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂制备方法研究
• 1.5.4 镍钴锰三元复合正极材料研究中存在的问题
• 1.6 本论文研究内容和意义
• 第二章 实验内容及测试方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验设备与仪器
• 2.3 材料合成方法
• 2.4 锂离子电池的制备
• 2.5 材料性质及电化学性能测试
• 2.5.1 电感耦合等离子体发射光谱仪分析（ICP-AES）
• 2.5.2 多晶体粉末X射线衍射分析（XRD）
• 2.5.3 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.5.4 充放电测试
• 1/3Co_1/3Mn_1/3C₂O₄的合成条件研究'>第三章 前驱物Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3C₂O₄的合成条件研究
• 1/3Co_1/3Mn_1/3C₂O₄的制备工艺流程'>3.1 前驱物Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3C₂O₄的制备工艺流程
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 pH的影响
• 3.2.2 沉淀温度的影响
• 3.2.3 沉淀剂的影响
• 3.2.4 陈化时间的影响
• 3.2.5 阴离子种类的影响
• 3.2.6 其它因素的影响
• 3.3 合成机理探讨
• 3.4 本章小结
• 1/3Co_1/3Mn_1/3CO₃的合成条件研究'>第四章 前驱物Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3CO₃的合成条件研究
• 4.1 沉淀剂的影响
• 4.2 pH值的影响
• 4.3 温度的影响
• 4.4 其他因素的影响
• 4.5 本章小结
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的研究'>第五章 草酸盐前驱物制备LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的研究
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的制备'>5.1 正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的制备
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的合成'>5.1.1 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的合成
• 5.1.2 制备工艺流程图
• 5.1.3 电池装配及电化学性能测试
• 5.2 实验结果与讨论
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的影响'>5.2.1 烧结温度对合成LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的影响
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的影响'>5.2.2 烧结时间对合成LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的影响
• 5.2.3 锂与镍、钴、锰比例的影响
• 5.2.4 其他因素的影响
• 5.3 本章小结
• 1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的研究'>第六章 碳酸盐前驱物制备LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的研究
• 6.1 烧结温度的影响
• 6.2 烧结时间的影响
• 6.3 其他因素的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文