锂离子电池三元正极材料的C包覆以及CoAl2O4包覆研究

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LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111)三元正极材料自1999年被成功合成以来,因其综合了钴酸锂(LiCO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锰酸锂(LiMn2O4)材料各自的优势而引起科研人员的广泛关注。α-NaFeO2层状结构中良好的二维通道有助于Li+的快速脱嵌,优异的容量特性(170-220mAhg-1),并且工作电压与现有电解液匹配(4.1 V),加之锰元素的引入降低了材料整体价格,使得材料具备大规模商业化生产的条件。但是三元材料的电子电导率以及锂离子扩散系数小,使得材料的循环以及倍率性能不是很理想,且电极和电解质溶液之间的副反应导致一些金属离子溶解,容量迅速衰减,这些因素都制约了三元材料进一步的发展。目前,包覆改性能够有效的改善材料的循环性能,机械分隔正极材料与电解液直接接触,减缓了固体电解质膜(SEI膜)造成的影响,从而提高材料理化性能表现。在本论文中,首先制备得到了空心微球MnO2粉末作为锰源来合成空心结构的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,用蔗糖作为碳源对三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2进行包覆处理,通过实验得知包覆并未改变材料的α-NaFeO2层状结构,碳包覆层增加了粒子之间以及表面电子的导电率,有效降低了电池极化,材料的电化学性能有了明显的提升,尤其在包覆量为0.5 wt%时最为显著。然后,探讨了一种尖晶石结构CoAl2O4用作包覆层时对电极材料的影响,首先使用C球为模板,采用高锰酸钾(KMnO4)成功制备了二氧化锰(MnO2)球壳,以此二氧化锰成功合成了Li1.2Ni1/3Co1/3Mn1/3O2空心微球正极材料,在高温下制备了不同含量的CoAl2O4(0-5 wt%)包覆电极材料,研究了表面改性对正极结构和电化学性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行的材料结构分析表明,CoAl2O4包覆层不影响电极材料的晶体结构,包覆层仅出现在电极材料表面。通过测试充放电循环、倍率性能和电化学阻抗,评估了CoAl2O4包覆层对电极材料电化学性能的影响。与未包覆材料相比,CoAl2O4包覆的材料放电容量和循环性能有所提高。包覆有2.5 wt%CoAl2O4的电极材料显示出最高的放电比容量(202.5 mAhg-1)和最高的容量保持(50圈循环为84.8%,未包覆材料为78.6%)。
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