锂离子电池富镍三元正极材料的制备及其包覆研究

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随着社会的发展,人们对电动汽车的续航里程有了更高的要求,也就意味着对锂离子电池的能量密度有更高的要求。传统的正极材料已经不能满足人们的需求。富镍三元正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由于其高容量、高能量密度和低成本的优势,被认为是一种很有发展前景的锂离子电池正极材料。然而,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2在充放电过程中易与电解质发生副反应,导致循环性能差,极化大和电压衰减快等。
  为改善LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的电化学性能,本论文通过设计一种锂离子导体包覆层,选用两种包覆方法对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2进行表面包覆改性,一方面包覆层的引入可以避免LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2与电解质直接接触,减少副反应;另一方面,所引入的锂离子导体有利于改善界面的锂离子传输速率。包覆后的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的电化学稳定性得到了很大的提升。具体工作如下:
  (1)针对传统的碱性共沉淀法制备LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2需要严格控制pH,温度以及惰性气氛等苛刻条件,且所需设备较为昂贵的问题,我们开展了简单的酸性共沉淀法制备LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,制备过程不需要控制pH和惰气保护,常温下即可操作。具体流程如下:首先采用酸性共沉淀法制备棒状MC2O4·2H2O(M=Ni,Co,Mn)前驱体,与锂盐混合高温煅烧得到棒状LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。组装电池进行电化学测试,样品初始放电容量为183.2mAhg-1,0.5C电流下循环100次后容量保持率为77.4%。
  (2)为改进LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的电化学性能,我们利用共沉淀法在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2表面引入不同厚度的Li-Ti-O包覆层,并研究不同包覆比例的样品的电化学性能,结果表明,Li-Ti-O锂离子导体包覆层的引入提高了LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的倍率性能,缓解了电极极化和循环过程的电压衰减,提高了循环稳定性,其中3wt%Li-Ti-O包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2拥有最好的电化学性能(循环稳定性达到84.8%)。
  (3)为进一步提升包覆层的质量,我们采用溶剂热法,利用棒状MC2O4·2H2O(M=Ni,Co,Mn)前驱体自身所带结晶水与钛酸四丁酯反应,在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2表面形成薄且均匀的Li-Ti-O包覆层。电化学测试结果表明,在0.5C充放电电流下循环100次后,3mol%Li-Ti-O包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的容量保持率为88.6%,且Li-Ti-O包覆层的引入极大地减轻LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极材料的极化和循环过程的电压衰减。此外,包覆层还有利于改善电池的高温性能,在65℃高温下50次循环后3mol%Li-Ti-O包覆的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的容量保持率为81.1%,远远高于LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(52.0%)。
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