【摘 要】
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锂离子二次电池自问世以来已经被大范围应用于移动电话、照像机、笔记本电脑等便捷式数码产品。近年来,随着电动汽车的迅速兴起,锂离子二次电池与之结合后又快速占领了市场、引领了汽车行业的变革。众所周知,动力电池组直接决定了电动汽车的续航里程表现,而目前的动力电池组主要是分为LiFePO4电池和镍钴锰三元锂电池组。目前少部分车型所使用的是LiFePO4电池组,大部分车型所使用的是镍钴锰三元锂电池组,LiNi
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锂离子二次电池自问世以来已经被大范围应用于移动电话、照像机、笔记本电脑等便捷式数码产品。近年来,随着电动汽车的迅速兴起,锂离子二次电池与之结合后又快速占领了市场、引领了汽车行业的变革。众所周知,动力电池组直接决定了电动汽车的续航里程表现,而目前的动力电池组主要是分为LiFePO4电池和镍钴锰三元锂电池组。目前少部分车型所使用的是LiFePO4电池组,大部分车型所使用的是镍钴锰三元锂电池组,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由于较高的镍含量更是深受市场的欢迎。这两种电池组在实际应用过程中存在的一个严重的问题就是一致性不好,而电池的一致性又是由材料的一致性决定的。所以本文从材料的制备入手,希望制备出一致性较好的正极材料从根本上解决上述问题,以期实现这两种主流电池组的进一步应用。橄榄石型LiFePO4由于具有理论容量较高、循环寿命较长和热稳定性较好、环境友好性较强等特点,早已成为电动汽车电池使用范围较广的正极材料之一。本文选择用水热法制备了一致性较好的球形LiFePO4正极材料,分别探究了不同溶剂、Fe2+浓度和水热温度对产物形貌和电化学性能的影响。结果表明以30 m L(CH2OH)2和70 m L去离子水为溶剂、Fe2+浓度为0.25 mol/L、水热温度为160°C的工艺制备的球形LiFePO4正极材料较为均匀,直径约0.8μm。其中,络合剂(CH2OH)2的加入对球形产物的形成起着至关重要的作用,(CH2OH)2不仅可以防止Fe2+氧化为Fe3+,还可以诱导球形产物的生成,这种球形结构有利于Li+的迁移。电化学测试结果显示在0.1 C倍率下首次放电容量为149.8 m Ah/g,在经历500个循环后容量损失很小,容量损失率约为5%左右,并且拥有较好的倍率性能。在上述工艺的基础之上,我们又制备了一批样品并且进行了电化学性能测试,实验结果表明在相同的工艺条件下样品的电化学性能相差较小,这表明制备的球形球形LiFePO4正极材料具有良好的一致性。LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由于具有较高的比容量和较高的电压平台迎合了电动汽车市场对于续航里程的需求,所以本文又使用喷雾热解法制备了一致性较好的球形LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料,探索了不同浓度、喷雾速率和热解温度对最终产物的影响。实验结果表明,当以初始溶液的浓度为2 mol/L、喷雾速率为10m L/min、热解温度为400°C的工艺制备的球形LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2较为均匀,直径约为1μm,壁厚约为100 nm。这种薄壁空心球结构缩短了Li+的脱嵌距离,加快了Li+的脱嵌速度。电化学测试结果表明在0.1 C倍率下首次放电容量为224.8 m Ah/g,在经历500个循环后容量保持率在98%左右,同时倍率性能优异。我们又利用上述工艺制备了一批样品并且进行了一系列的电化学性能测试,结果测试结果显示在相同的工艺条件下样品的电化学性能很接近,这表明制备的球形球形LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的一致性是比较优良的。本文针对目前电动汽车市场上LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2两种主流电池组存在的一致性较差的问题分别利用水热法和喷雾热解法成功制备了一致性较好的球形LiFePO4和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料。制备的正极材料粒径均匀、电化学性能优良,并且成本便宜、环境友好性强、工艺简便,在未来的电动汽车领域有着较为光明的应用前景。
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