锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的合成与改性研究
【摘要】：LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料因其具有高容量、低成本和无毒等优点而被认为是LiCoO2正极材料替代者之一。其中,LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料由于其高镍含量使其具有更高的容量优势而尤受到广泛关注。但同时由于较差的倍率性能及高倍率下容量衰减较大而限制了其进一步的发展。针对以上缺点,以固相法合成LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2阴极材料,主要研究合成温度,时间,Li2CO3用量等工艺条件对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2阴极材料结构与性能的影响。并以此为基础,着重研究了金属阳离子掺杂和金属氧化物包覆对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2阴极材料结构与电化学性能的影响。采用球形Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体与Li2CO3混合,针对固相法烧结工艺的合成温度,时间和配锂量进行试验优化。以首次放电容量和倍率性能为主要考查指标。根据合成材料的性能比对得出最佳的合成条件为：880℃的合成温度、12h的合成时间、1.05：1的配锂量摩尔比。在2.7-4.4V电压区间,0.1 C、1 C、5 C的首次放电容量分别达到195.2、158.4和114.9 mAh g-1。将Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和V2Os相混合,采用上述固相烧结工艺制备得到Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]1-xVxO2(x=0, x=0.01, x=0.03, x=0.05)正极材料。对金属钒离子掺杂LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2结构和电化学性能的影响进行研究。试验结果表明,钒元素主要是以掺杂的形式存在于材料的晶格中,而当钒元素含量大于2.6%时,过量的的钒元素会与Li2CO3发生反应在材料的表面生成Li3VO4杂质。Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]0.97V0.03O2电化学性能最佳,倍率性能和循环性能均较LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料更优。交流阻抗分析表明,钒元素掺杂可以提高LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的锂离子扩散系数,同时能达到降低LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的电荷转移阻抗的作用。以Li2MnO3为包覆材料,采用溶胶凝胶法制得Li2MnO3@LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。研究了包覆条件pH值和包覆量对LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2综合性能的影响。与LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料相比, pH值=6, 包覆量为5%的Li2MnO3@LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料具有最优的电化学性能。LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2经Li2MnO3包覆后倍率性能和循环性能有了明显的改进。循环伏安法计算表明,适当的Li2MnO3包覆能提高材料的锂离子扩散系数。研究结果表明改性后的材料层状结构良好、离子混排程度较低、锂离子扩散系数得以提高、材料倍率性能和循环性能得到明显改善。因此钒元素掺杂和Li2MnO3包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料是行之有效的改性方案。
【关键词】：LNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2 固相合成 钒掺杂 Li_2MnO_3包覆 正极材料
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912
