镍钴锰酸锂正极材料的表面包覆改性研究

目录

摘要............................................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................................III 1绪论.. (1)

1.1引言 (1)

1.2锂离子电池概述 (1)

1.2.1锂离子电池的基本原理 (1)

1.2.2锂离子电池的主要特点 (2)

1.2.3锂离子电池的发展现状与前景 (3)

1.3锂离子电池正极材料 (3)

1.3.1LiCoO2正极材料 (4)

1.3.2LiNiO2正极材料 (4)

1.3.3LiMn2O4正极材料 (5)

1.3.4Li-Ni-Co-Mn-O三元复合正极材料 (6)

1.4Li-Ni-Co-Mn-O系三元复合正极材料的改性研究 (7)

1.4.1Li-Ni-Co-Mn-O系三元正极材料的掺杂改性 (7)

1.4.2Li-Ni-Co-Mn-O系三元正极材料的包覆改性 (8)

1.5本文的选题依据及研究内容 (9)

2实验方案与条件 (11)

2.1实验方案 (12)

2.1.1湿化学法制备包覆介质的可行性研究 (12)

2.1.2湿化学法包覆三元正极材料LNCMO的可行性研究 (13)

2.1.3电极片及扣式电池的制备 (13)

2.2实验条件 (15)

2.2.1实验使用的主要化学药品和试剂 (15)

2.2.2实验设备 (16)

2.2.3测试分析仪器 (16)

3同质包覆介质对三元正极材料的表面包覆改性 (19)

3.1LCO实验结果与分析 (19)

3.1.1湿化学法合成LCO的可行性研究 (19)

i

3.1.2湿化学法在三元正极材料表面包覆LCO的可行性研究 (21)

3.1.3不同比例LCO包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (22)

3.1.4小结 (26)

3.2LNO实验结果与分析 (26)

3.2.1湿化学法合成LNO的可行性研究 (27)

3.2.2不同原料配比对LNO结构性能的影响 (27)

3.2.3不同热处理工艺对LNO结构性能的影响 (29)

3.2.4湿化学法在三元正极材料表面包覆LNO的可行性研究 (32)

3.2.5不同比例的LNO包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (34)

3.2.6小结 (35)

3.3LMO实验结果与分析 (36)

3.3.1湿化学法合成LMO的可行性研究 (36)

3.3.2不同原料配比对LMO正极材料结构性能的影响 (38)

3.3.3不同热处理工艺对LMO结构性能的影响 (39)

3.3.4湿化学法在三元正极材料表面包覆LMO的可行性研究 (39)

3.3.5不同比例LMO包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (39)

3.3.6小结 (41)

3.4LCO、LNO和LMO的包覆改性比较 (41)

4氧化物介质对三元正极材料的表面包覆改性 (43)

4.1TiO2实验结果与分析 (43)

4.1.1湿化学法合成TiO2的可行性研究 (43)

4.1.2湿化学法在三元正极材料表面包覆TiO2的可行性研究 (44)

4.1.3不同比例TiO2包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (46)

4.1.4小结 (49)

4.2Al2O3实验结果与分析 (50)

4.2.1湿化学法合成Al2O3的可行性研究 (50)

4.2.2湿化学法在三元正极材料表面包覆Al2O3的可行性研究 (51)

4.2.3不同比例Al2O3包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (53)

4.2.4小结 (54)

4.3SnO2实验结果与分析 (54)

ii

4.3.1湿化学法合成SnO2的可行性研究 (55)

4.3.2湿化学法在三元正极材料表面包覆SnO2的可行性研究 (55)

4.3.3不同比例SnO2包覆对三元正极材料电池性能的影响规律 (58)

4.3.4小结 (59)

4.4YPO4实验结果与分析 (59)

4.4.1湿化学法合成YPO4的可行性研究 (59)

4.4.2湿化学法在三元正极材料表面包覆YPO4的可行性研究 (60)

4.4.3不同比例的YPO4包覆对三元正极材料的电池性能的影响规律 (61)

4.4.4小结 (63)

4.5氧化物包覆介质TiO2、Al2O3、SnO2和YPO4的包覆改性比较 (63)

5结论 (65)

致谢 (67)

参考文献 (69)

iii

iv

1

1绪论

1.1引言

能源与人类社会的生存和发展密切相关。随着社会的快速发展，人们对石油、煤炭、天然气等不可再生能源的过度开采和使用，使得这些化石能源日益枯竭，同时对环境的污染日益加剧，这些现状迫使人类寻找可循环使用的清洁能源。目前大力发展太阳能和风能等新能源，但这些清洁能源具有间隙性和不稳定性，必须依赖高效的转换和储能系统来使用。同时，随着信息技术、手持式机械和电动汽车的迅猛发展，对化学电源，尤其是高性能、高能量密度的独立二次电源的需求与日俱增。绿色二次电池作为一种高效的能量转换与储存设备，是一系列高科技发展的重要技术关键。相比于传统的铅酸、镍镉和镍氢电池，锂离子电池具有更高的比能量密度、比功率密度以及安全环保等优点，使其在新能源的存储设备中成为综合性能最好的二次电池体系。锂离子电池在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点[1,2]。

1.2锂离子电池概述

在已知的金属当中，锂的原子量最小，是最轻的金属，具有高电极电位和高化学当量，其电化学比能量密度也相当高。由于金属锂的上述特性，采用锂的化合物制备的高能电池性能优异。在20世纪60年代，锂电池的研究开始受到重视，但以金属锂为负极的锂电池在充电过程中，负极会沉积金属锂，从而形成枝晶锂，造成电池内部短路，导致电池爆炸。为了提高锂电池的安全问题，20世纪80年代，人们开始研究储锂材料来代替锂电池的负极金属锂。1985年日本Sony 公司提出用无序的非石墨化碳作为锂电池的负极，从而真正的锂离子电池产生了。锂离子电池自问世以来迅猛发展，已成为目前综合性能最好的电池体系[3]。

1.2.1锂离子电池的基本原理

锂离子电池是指其中的Li +嵌入和脱逸正负极材料的一种可充放电的高能电池。它是一种二次电池（充电电池），主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。其正极材料一般采用插锂化合物，如LiCoO 2、LiNiO 2、LiMn 2O 4和LiNi x Co y Mn 1-x-y O 2等[4]。负极材料选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如碳材料、过渡金属氧化物，锡基和硅基材料等[5]。电解液主要由电解质(锂盐)/混合有机溶剂组成，目前产业化的主要有LiPF 6/EC(碳酸乙烯酯)+DEC(碳酸二乙酯)，LiPF 6/EC+DMC(碳酸二甲酯)，LiPF 6/EC+DEC+DMC ，LiClO 4/PC(碳酸丙烯酯)+DME(二甲基乙二醇)等[6]。锂离子电池充放电过程中的电化学表达式可简单表示为式1.1，其中Me 为过渡金属：

()()

++?-261n LiMeO |DEC /EC LiPF L 1mol |C -(1.1)

充电过程中，正负极反应分别为：