锂离子电池正极三元材料产业化工艺研究

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锂离子电池是人类应对能源危机最重要的手段之一,正极材料作为锂电池重要的组成部分,其性能好坏直接影响电池的各项性能。开发高性能、低成本的新型正极材料一直是锂离子电池的研究方向。作为锂离子电池正极材料,层状三元镍钴锰酸锂具有比容量高、循环性能好,成本低、安全性好等优点,被认为是最具开发应用前景、实现替代 LiCoO2电极材料的新型正极材料之一,目前该材料已经逐步走向市场,应用领域不断扩大,尤其是在电动汽车(EV)和混合电动汽车领域(HEV),也具有相当大的发展空间。  本文采用共沉淀法作为层状镍钴锰酸锂的合成方法,通过液相共沉淀方法制备前驱体Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2,通过高温固相反应制备三元正极材料LiNil/3Co1/3Mnl/3O2。以LiNil/3Co1/3Mnl/3O2正极材料为研究对象,系统研究了不同合成工艺对目标材料物化性能及电性能的影响,主要通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析、热重差热(TG-DTA)分析、恒电流充放电测试等方法分别对产品形貌、晶体结构和电化学性能进行表征和测试。  在采用液相共沉淀方法制备Nil/3Co1/3Mnl/3(OH)2前驱体过程中,本论文着重研究了pH值、金属离子浓度、沉淀剂浓度、络合剂浓度对前驱体的影响。实验结论证明,将反应溶液的pH值控制在10.5左右,金属离子浓度2mol·L-1,沉淀剂浓度为4mol·L-1,络合剂浓度为3mol·L-1,此时的Nil/3Co1/3Mnl/3(OH)2前驱体颗粒粒径整体分布窄,形貌类似球体。  在采用高温固相法制备LiNil/3Co1/3Mnl/3O2正极材料过程中,本论文着重研究了固相反应温度、固相反应时间,以及不同Li/(Ni+Co+Mn)摩尔配比对产物的影响。实验结论证明,Li/M(Ni+Co+Mn)=1.05/1,高温烧结900℃恒温12h,得到三元层状正极材料LiNil/3Co1/3Mnl/3O2。充放电电压区间为4.3~2.75V,倍率为0.2C,首次放电比容量为154.50mAh·g-1,容量保持率高,经过20次循环后容量保持率为92.91%。
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