内嵌导电炭LiNi0.8Mn0.2O2材料的制备与性能研究

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锂离子电池自从问世以来,就被广泛地应用于各领域中。随着环境问题的日益加剧和不可再生能源的日益枯竭,新能源汽车行业随之迎来了蓬勃发展。锂离子电池由于其具有开路电压高、循环寿命长、可快速充放电、并且无记忆效应等优点,成为新能源汽车动力电池的首选。而评价锂离子电池的性能与成本的好坏,正极材料起着关键的作用,因此被广泛研究。其中,镍基正极材料因其较高的比容量和较低的成本,已成为目前市场上最被看好的正极材料之一,具有良好的市场前景。因此,本文以LiNi0.8Mn0.2O2为研究对象,通过优化其制备过程中的条件,确定出最优的合成工艺参数,并在前驱体制备过程中将导电碳材料嵌入前驱体颗粒内部及对LiNi0.8Mn0.2O2进行导电炭/钴共改性以提高其电化学性能。主要结论如下:(1)通过共沉淀法合成Ni0.8Mn0.2(OH)2前驱体,经高温固相烧结合成LiNi0.8Mn0.2O2正极材料。经过一系列测试手段表明:氨水与金属盐浓度比为0.5,反应pH为11.35±0.05,反应过程中温度控制为55±2℃,前驱体与氢氧化锂的比例为1.08,800℃的烧结温度下保持14 h,在此条件下制得LiNi0.8Mn0.2O2正极材料晶型发育完整,属于α-NaFeO2层状结构,电化学性能表现最好。化成时放电比容量达179 mAh/g,首次充放电循环的库伦效率为91.62%,在25℃,2.75-4.2 V,0.2 C倍率下循环200次容量保持率为90.21%。在5 C大倍率放电条件下仍有147.87mAh/g的比容量,较0.2 C放电容量保持率为79.46%。(2)通过在共沉淀过程中添加导电碳材料Li-435和CNTs,通过控制溶液流速等条件调控前驱体颗粒地生长,随着反应时间的进行,越来越多的沉淀物会在碳材料表面进行吸附、生长,从而获得嵌入导电碳材料的前驱体Ni0.8Mn0.2(OH)2。烧结后发现材料一次颗粒间的间隙变大,甚至有脱落单独生长发育的现象,这是因为在烧结过程中导电碳材料会在富氧环境中被氧化成CO2气体并从颗粒内部脱出。制备的材料比表面积测试结果显示添加导电碳材料可以增大材料比表面积,具体为从1.440 m2/g增大到1.7340 m2/g。同时内嵌导电碳材料的循环稳定性也得到大幅增长,200次循环从76.61%的稳定率增长到96.38%。(3)在制备前驱体过程中同时进行Li-435和Co元素的添加,利用Ni、Co、Mn的共沉淀反应获得Co改性嵌入导电炭的LiNi0.8Mn0.2O2材料,实验证明钴的添加对材料层状结构的发育起到了促进作用,同时导电炭Li-435的加入提高了材料导电性,从而使材料倍率性能得到了大幅提高,在5 C倍率条件下由83.14%的容量保持率提高了7.26%到90.4%。
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