锂离子电池富镍正极材料的制备与改性研究

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与目前已经商业化的层状LiCoO2,橄榄石型LiFePO4,尖晶石型Li Mn2O4等正极材料相比,富镍系正极材料LiNi1-xMxO2(M=Co,Mn,Al,x≤0.4)因其具有更高的比能量,被认为在电动汽车能量储存领域具有非常广阔的应用前景。然而富镍三元正极材料随着镍含量的增加导致材料在充放电过程中表现出循环稳定性差等致命缺点,如今有一个非常重要挑战就是在保持高能量密度的同时提高材料的循环稳定性。因此本文以锂离子电池富镍正极材料为对象,对其合成工艺条件进行了探究,以及为提高材料的循环稳定性对其采用了Sb3+掺杂和Ti4+、Al3+双掺杂改性的研究。通过采用共沉淀法将混合盐和混合碱溶液在一定温度下合成了富镍三元正极材料的前驱体Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2,然后将前驱体机械混锂后在富氧氛围中高温固相烧结最终得到锂离子电池富镍基正极材料LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、充放电性能测试和循环伏安曲线(CV)等常见分析测试方法,研究了共沉淀法中溶液反应pH值以及络合剂氨水的浓度对富镍正极材料的形貌结构以及电化学性能的影响,探究了合成Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2最佳的工艺条件。最终实验结果表明,当溶液反应的pH值为11.5、氨水的浓度为2mol/L时,合成的LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2正极材料具有最佳的电化学性能。在2.5~4.3V的电压范围内,0.2C的充放电倍率下,该材料的首周放电比容量为198m Ah·g-1,循环50周后放电比容量为173.9m Ah·g-1,容量保持率为87.3%。为提高材料的循环稳定性,分别对LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2材料进行了Sb3+掺杂和Ti4+、Al3+双掺杂改性研究。结果表明,掺杂量为1.25%的Sb3+掺杂改性后的材料具有更好的循环稳定性和倍率性能,掺杂量为1.25%改性后材料的首周放电比容量为196.58m Ah·g-1,其容量保持率为95.1%。通过探究Ti4+和Al3+分别掺杂以及Ti4+、Al3+双掺杂对材料的电化学性能影响,最终确定Ti4+和Al3+均能够提高材料的循环性能,当Ti4+、Al3+双掺杂时材料的电化学性能最优,其材料的首次充放电比容量为199.13m Ah·g-1,50周的容量损失率为0.38%。
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