锂离子电池LiNi0.8Co0.1Mn0.09Al0.01O2正极材料的合成及其表面包覆改性研究

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锂离子电池(LIBs)具有可靠性好、能量密度高、寿命长等优点,是近年来电动汽车首选的供能器件。高镍Li Ni1-x-yCoxMnyO2(NCM)和Li Ni1-x-yCoxAlyO2(NCA)凭借其高能量密度成为当前锂离子电池首选正极材料。但是在较高充电电压下和长周期循环过程中,上述两类正极材料易出现结构垮塌和容量大幅度衰减。基于锰离子与铝离子在稳定高镍材料结构时的协同作用,本论文采用高温固相合成法合成了四元Li Ni1-x-y-zCoxMnyAlzO2(NCMA)正极材料,主要研究了合成过程中不同配锂比对材料晶体结构、微观形貌以及电化学性能的作用规律。在此基础上,运用快锂离子导体镧酸锂对其进行表面包覆改性,在提高表界面锂离子导电性的同时,抑制其表面残碱生成,有效改善其循环稳定性。首先合成不同配锂比(0.99 mol%、1.03 mol%、1.05 mol%、1.08 mol%)的NCMA材料。详细分析不同配锂比下Li Ni0.8Co0.1Mn0.09Al0.01O2基体材料锂镍互占位、表面锂和氧损耗的规律。随着Li/M的提高,倍率为0.1 C时候,NCMA材料的首次放电比容量由204.3 m Ah g-1增加至214.5 m Ah g-1、217.8 m Ah g-1和213.0m Ah g-1。锂配比愈高,NCMA材料表面Li2CO3增多,这是因为体相中的锂更趋于形成Li2CO3,材料表面晶体结构由斜方六面体相转变成缺锂态的尖晶石相和绝缘的岩盐相。此时,界面阻抗急剧增大,导致首次库仑效率明显降低,循环性能急剧下降。Li/M为0.99 mol%的材料在3.0~4.5 V电压范围下1 C倍率循环200次后容量保持率仅为69.4%,远不及1.03 mol%、1.05 mol%和1.08 mol%下的81.8%、84.8%和80.3%。因此,NCMA材料的Li/TM比设定为1.05 mol%为宜。针对商业化应用尚存在的性能不足的问题,采用固相烧结方法在NCMA材料表面生成类钙钛矿型镧锂化合物包覆层。该包覆层由La4Ni Li O8有效抑制高电压下活性物质与电解液界面副反应的发生和HF对材料的腐蚀,材料结构更加稳定。类钙钛矿型镧锂化合物包覆层具有良好的热稳定性和锂离子扩散动力学,增强了其表面和基体晶格的稳定。镧锂化合物与Li Ni0.8Co0.1Mn0.09Al0.01O2具有良好的相容性,锂离子输运提供了快速畅通的通道。另一方面,在高温合成过程中,La3+也被掺杂到NCMA的亚表面晶格。改性后,镧锂化合物改性样品0.1 C下首次放电容量为218.3 m Ah?g-1,1 C下的第200次的容量保持率从70.7%提高到84.2%。
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