铷掺杂对Li[Ni,Co,Mn]O2正极材料电化学性能影响的研究

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锂离子电池以其高比容量、大功率密度以及环境友好等优势,越来越广泛地应用于电动汽车(EV)和混合型电动汽车(HEV),是目前最引人关注的储能方式。通常情况下,LiNixCoyMn1-x-yO2三元系材料由镍、钴、锰三种过渡金属元素构成的层状材料,简称Li[Ni,Co,Mn]O2材料或NCM材料,因其具有低成本、高能量密度等特点,被认为是最具发展潜力的锂离子电池正极材料。尽管Li[Ni,Co,Mn]O2正极材料在容量等方面具有很多优势,但同时也存在倍率性能差、循环性能差、首圈效率低等问题,目前主要通过掺杂其他过渡金属元素、包覆金属氧化物等方法来对Li[Ni,Co,Mn]O2材料进行改性从而改善其电化学性能,尤其通过选择合适的掺杂离子以及掺杂比例能够有效改善三元材料的倍率性能和循环性能。通过阳离子掺杂,可增大材料晶体层间距,起到稳定结构的作用,使锂离子能够更快速地在晶格间扩散,从而大大改善Li[Ni,Co,Mn]O2正极材料的电化学性能。本研究利用共沉淀法成功通过共沉淀法制备了两种三元材料LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2及LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,并对其进行不同比例的元素铷掺杂。通过SEM、TEM、XRD等表征以及电化学倍率、循环、循环伏安及交流阻抗等电化学性能测试,合成的样品具有较好的结晶度,元素铷的掺杂起到了稳定三元材料晶体结构的作用,大大改善了材料的倍率、循环等电化学性能,其中制备的Li0.97Rb0.03Ni0.4Co0.2Mn0.4O2以及Li0.99Rb0.01Ni1/3Co1/3Mn1/3O2样品具有较好的电化学性能,证明了元素铷的掺杂能够对三元材料起到稳定晶体结构,提高电化学性能的作用。同时,我们认为此研究的掺杂方式亦可用于其他类型三元材料尤其是高镍含量的三元正极材料,可有效减小镍锂混排效应的发生,改善电化学性能。
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