LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2前驱体与匣钵用耐火原料在加热过程中的物理化学变化研究

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本论文研究了Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2(LNCM)前驱体和匣钵所用一元、二元和三元耐火原料以质量比为1.2:1均匀混合后,经过500℃、750℃、900℃和1000℃煅烧,并在最高温度下保温3h后的物理化学变化,同时也研究了原料的比例、保温时间和耐火原料的粒度对LNCM前驱体和耐火原料之间反应的影响。用X射线衍射仪分析不同温度热处理后试样的物相组成;用扫描电子显微镜观察热处理后试样的显微结构,使用能谱分析仪分析鉴定微区的元素组成,研究结果表明:(1)通过研究LNCM前驱体在加热过程中的物理化学变化可知,前驱体经过500℃煅烧后,大部分Li2CO3和Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2已经反应完全,生成LNCM,有少量Li2CO3剩余;前驱体经过750℃煅烧后,Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2和Li2CO3完全反应;在900℃和1000℃,随着温度升高,生成的LNCM的峰越来越尖锐,产物晶粒发育越来越完善。(2)通过研究LNCM前驱体与氧化铝、氧化硅和氧化镁在加热过程中的物理化学变化可知,氧化铝和氧化硅与合成LNCM在750℃开始反应,LNCM与氧化铝生成少量α-Li Al O2、Co Al2O4、Ni Al2O4、γ-Li Al O2和Li Mn2O4,LNCM与氧化硅反应生成少量Li2Si O3;随着温度升高到900℃,产物的量增加,LNCM与氧化铝反应生成的α-Li Al O2转化成γ-Li Al O2。LNCM与氧化硅反应生成Li2Si3O5、Co2Si O4、Ni2Si O4和Li Mn2O4,LNCM反应完全;温度升高到1000℃,产物的种类没有变化,LNCM与氧化铝反应中有少量LNCM的剩余,氧化铝已经反应完全,LNCM与氧化硅反应有一部分氧化硅转变成方石英。从显微结构看,氧化铝和氧化硅表面生成的产物晶粒随温度升高,逐渐长大,在1000℃,氧化硅试样有部分玻璃相产生。LNCM前驱体和氧化镁经过500℃、750℃、900℃和1000℃煅烧,没有发生反应。(3)通过研究LNCM前驱体与莫来石、红柱石、锆英石、镁铝尖晶石和镁橄榄石在加热过程中的物理化学变化可知,莫来石、红柱石和镁铝尖晶石与合成的LNCM在900℃开始反应,LNCM与莫来石反应生成了Co Al2O4、Ni2Si O4、Li Al Si O4、Li2Si O3和Li Mn2O4,LNCM与红柱石反应生成了Li Al Si O4、Co Al2O4、Ni2Si O4、Li Mn2O4和Co2Si O4,LNCM和镁铝尖晶石生成了Li Mn2O4、Co Al2O4、Ni Al2O4和α-Li Al O2;随着温度升高到1000℃,产物的种类不变,生成的量增加,LNCM与莫来石反应中有少量LNCM的剩余,莫来石已经反应完全。LNCM与红柱石反应中有少量LNCM和红柱石的剩余,LNCM和镁铝尖晶石反应中α-Li Al O2转化成γ-Li Al O2,有镁铝尖晶石和LNCM剩余。锆英石和镁橄榄石与合成的LNCM在750℃开始反应,LNCM与锆英石反应生成Li2Si O3,LNCM和镁橄榄石反应生成了Ni2Si O4、Co3O4、Li2Co Si O4、Li2Si O3和Li Mn2O4;在900℃,LNCM与锆英石反应生成Li2Si O3、Co2Si O4、Ni2Si O4和Li Mn2O4,Li2Si O3与镁橄榄石反应生成Li2Si2O5,Li2Si O3与Mg O反应生成Li2Mg Si O4;在1000℃,产物的种类没有变化,生成的量增加,锆英石与LNCM已经完全反应。LNCM和镁橄榄石反应中有少量镁橄榄石剩余,LNCM反应完全。从显微结构看,在莫来石、红柱石、镁铝尖晶石、锆英石和镁橄榄石上生成的产物晶粒随温度的升高,逐渐长大。(4)通过研究LNCM前驱体与堇青石和锂辉石在加热过程中的物理化学变化可知,堇青石和锂辉石与合成的LNCM在750℃开始反应,LNCM与堇青石反应生成Li Al Si O4、Li Mn2O4、Co3O4、Mg Al2O4和Ni2Si O4。LNCM与锂辉石反应生成Li Al Si O4、Li Mn2O4、Ni2Si O4、Li2Si O3和Co3O4;在900℃,产物的种类大致相同,生成的量增加,LNCM与堇青石反应中Co3O4与堇青石反应生成Co2Si O4,堇青石反应完全。LNCM与锂辉石反应中Li Al Si O4与锂辉石反应生成Li2Al2Si3O10,LNCM反应完全;在1000℃,产物种类不变,LNCM与堇青石反应中有少量LNCM剩余,有少量玻璃相产生。LNCM与锂辉石反应中,Co3O4和Li2Si O3反应生成了Li2Co Si O4,锂辉石已经完全反应。从显微结构看,在堇青石和锂辉石表面生成的产物晶粒随温度升高,逐渐长大。(5)通过研究原料比例、保温时间和粒度对LNCM前驱体与耐火原料之间反应的影响可知,不同比例的前驱体与氧化铝、莫来石和堇青石反应生成的产物大致相同,随着试样中前驱体比例的逐渐增加,从1:2,1.2:1,到2:1,从显微结构看,产物晶粒有逐渐长大的趋势。LNCM前驱体和耐火原料随着保温时间从3h增加到6h和9h,产物的种类不变,生成的量增多,晶粒尺寸增加。粒度为44μm的Mg Al2O4与LNCM没有发生反应,镁铝尖晶石粒度减小到5μm,两者开始反应,生成α-Li Al O2,晶粒尺寸增加。
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