高镍层状结构锂离子电池正极材料制备与改性研究

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	高镍层状结构锂离子电池正极材料制备与改性研究
	毕玉敬
刊名	中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
	2017
页码	132
关键词	高镍层状结构正极材料锂离子电池
产权排序	中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
英文摘要	智能电子设备、电动汽车的快速发展,对锂离子电池能量密度的要求越来越高,作为锂离子电池重要组成部分的高容量正负极材料是各主要经济体、跨国公司发展的核心技术。由于高容量、高压实密度锂离子电池体系具有制造工艺相对成熟的优势,高镍材料成为下一代高能量密度锂电池中最重要的正极材料。但高镍材料合成条件苛刻、表面活性高,制约了该材料的推广和应用。针对这些问题,本论文系统研究了高镍正极材料的合成工艺,并分析了表面反应对电化学性能的影响,针对表面活泼的缺点,采取前躯体改性的技术路线,设计并制备了一种有中间层的新型核壳结构材料,该材料具有较好的结构稳定性和优异的电化学性能。本文主要完成的工作如下:(1)LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2合成条件、结构与性能研究本文研究了合成气氛中氧分压对LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2中晶体结构和电化学性能的影响。制备的样品中均存在氧缺陷、镍锂互占位和表面分解的现象,但在纯氧下合成LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2样品氧空位缺陷浓度和阳离混排比例最小,反应产生的Li_2CO_3厚度仅为1nm,同时该样品表面Ni~(2+)元素比例最低,说明纯氧下合成样品结构缺陷少、材料表面最稳定,该样品在0.1C放电容量为192.9 mAhg~(-1),5C倍率下容量为160.1 mAhg~(-1),1C倍率下循环200周容量保持率为89.9%。(2)Li Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2表面碳酸锂对电化学性能影响高镍层状结构正极材料表面活泼,发生表面反应后产生Li_2CO_3。虽然Li_2CO_3具有非常稳定的电化学特性,但会与电解液发生化学反应,生成LiF,并释放CO_2和POF_3气体。为验证其对电池性能的影响,本文在LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2材料表面生成了一层较厚的Li_2CO_3,在55℃与电解液反应,将Li_2CO_3层转变为Li F纳米颗粒包覆层,反应前后正极材料0.1C放电容量和倍率性能变化较小,但转变为为Li F后循环寿命大幅度提高,200周循环保持率由37.1%提高到91.9%。(3)表面包覆Li_6Zr_2O_7固体电解质改性通过在前躯体表面包覆ZrO(OH)_2,烧结后在表面形成Li_6Zr_2O_7包覆层。Zr元素均匀分布在表面,通过XRD、TEM和SAED等表征技术证实,表面包覆层物质为Li_6Zr_2O_7。包覆层比例增加会降低了材料的放电容量,1 mol%包覆量表面包覆层厚度为7.1nm,该包覆比例下正极材的循环性能最稳定性。(4)新型核壳结构高镍层状正极材料分别在Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)(OH)_2前躯体表面包覆Co(OH)_2和ZrO(OH)_2-Co(OH)_2,表征并测试了采用这两种前躯体制备的正极材料。Co(OH)_2包覆前躯体锂化烧结后形成钴掺杂样品,ZrO(OH)_2-Co(OH)_2复合包覆层,烧结后得到新型核壳结构正极材料。钴掺杂减小了层状结构固溶体晶胞常数,同时也降低了层状结构中阳离子混排比例,提高了层状结构有序度。前躯体包覆10%Co(OH)_2制备的正极材料具有最优的电化学性能和高温存储性能。EDS和SIMS表征结果表明复合层包覆得到的正极材料具有核壳结构。核壳正极材料的晶胞常数与Li Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2接近。XPS测试结果表明核壳结构能够有效降低表面镍的比例,软X-ray XAS结果证明核壳结构Ni~(3+)比例最高,说明核壳结构能够提升高镍正极材料表面稳定性。核壳结构的表面壳层以富钴的微晶形式存在,该结构能够有效抑制和减小充放电循环过程中放电电压衰减和电荷传输阻抗增加。核壳结构正极材料在4.3V截止电压0.1C倍率放电容量为180.4 mAhg~(-1),1C充放电循环1000周容量保持率为89.5%。核壳结构高镍正极材料具有较好的高温存储性能,在55℃水汽中存储一个月后,1C倍率下循环200周,容量保持率为82%。
公开日期	2018-12-04
内容类型	期刊论文
源URL	[http://ir.nimte.ac.cn/handle/174433/16700]
专题	2017专题
推荐引用方式 GB/T 7714	毕玉敬. 高镍层状结构锂离子电池正极材料制备与改性研究[J]. 中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),2017:132.
APA	毕玉敬.(2017).高镍层状结构锂离子电池正极材料制备与改性研究.中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所),132.
MLA	毕玉敬."高镍层状结构锂离子电池正极材料制备与改性研究".中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) (2017):132.