本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池電極材料的噴霧干燥法制備及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：發(fā)展電動(dòng)汽車以代替?zhèn)鹘y(tǒng)以汽油為燃料的汽車對(duì)保護(hù)環(huán)境,可持續(xù)利用能源有重大意義。傳統(tǒng)LiCO2正極與石墨負(fù)極在移動(dòng)電子設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛使用,但在電動(dòng)車用動(dòng)力型鋰離子電池領(lǐng)域存在各自的問題,需要尋找能夠代替它們的新型材料。在這些候選的新材料中,Li4Ti5O12負(fù)極材料具有循環(huán)穩(wěn)定性好,安全性好,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2正極材料優(yōu)勢(shì)在于比容量高(大于250 mAh g-1),價(jià)格低廉,熱穩(wěn)定性良好。LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極材料有著比容量較高,價(jià)格低以及毒性小等優(yōu)點(diǎn)。這三種材料都可以應(yīng)用到電動(dòng)車用動(dòng)力型鋰離子電池中去。為了滿足電動(dòng)車能量密度的需求,需要電極材料具有較高的振實(shí)密度。如何在實(shí)際生產(chǎn)過程中高效、低成本地制備具有高振實(shí)密度的這些材料具有較高的實(shí)際意義。本文采用了噴霧干燥法制備了這三種材料的微納球形二次顆粒,針對(duì)該方法的一些技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究,對(duì)三種材料的結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行表征測(cè)試。制備得到的Li4Ti5O12微納球形二次顆粒材料顆粒尺寸分布在10-20 μm之間,是由一次納米顆粒組成的具有納米孔道結(jié)構(gòu)的二次微米顆粒,比表面積為30.8 m2g-1,納米孔道尺寸在3-4 nm之間,包覆的碳層厚度5-8nm,碳含量約為4%。Li4Ti5O12微納球形二次顆粒的振實(shí)密度為1.04 gcm-3。電化學(xué)性能方面,在0.1 C (16 mAg-1)倍率下Li4Ti5O12 可逆比容量可為170mAh g-1。1 C倍率下首圈與第250圈的可逆比容量分別為150 mAh g-1和145 mAh g-1,容量保持率為97%。倍率性能方面,在1 C,2 C,5C,10 C以及20C下,放電比容量分別為150,140,118,86和73 mAh g-1。以NiSO4·6H2O, CoSO4·7H2O, MnSO4·H2O為原料,通過共沉淀法制備(Nio.2Co0.1Mn0.7) (OH)2前驅(qū), 最后噴霧干燥得到0.5Li2MnO3·0.5 LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2微納球形二次顆粒。0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2微納球形二次顆粒是含有納米孔徑的微米級(jí)顆粒,比表面積為28.7 m2g-1,整體呈現(xiàn)球形形貌,顆粒直徑在10-20 nm之間,由一次納米顆粒團(tuán)聚而成,納米顆粒之間存在孔道結(jié)構(gòu),尺寸為4nm左右。在0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2微納球形二次顆粒中,Ni:Co:Mn的摩爾比為19.8：9.3：70.9,十分接近20：10：70的投料比。制備的0.5Li2MnO3·0.5 LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2微納球形二次顆粒的振實(shí)密度2.07 g cm-3,在0.03 C (10mAg-1)倍率下充放電,首圈放電比容量為270 mAhg-1,首圈庫(kù)倫效率為88%。在0.03 C,0.1 C和0.2 C經(jīng)過50次循環(huán)后,容量保持率分別為90%,85%和85%。同時(shí)在0.1 C,0.2 C,0.5 C,1 C以及2 C倍率下,NCM微納球形二次顆粒的首圈放電比容量分別為246,228,203,182和165 mAh g-1,相對(duì)于0.03 C時(shí)的容量保持率分別為91,84,75,67 and 61%。以NiSO4·6H2O, CoSO4·7H2O, Al2(SO4)3·12H2O為原料,通過共沉淀法制備(Ni0.8Co0.15Al0.05) (OH)2前驅(qū),然后噴霧干燥得到NCA微納球形顆粒。噴霧干燥后的(Ni0.8Co0.15Al0.05) (OH)2/Li2CO3前驅(qū)整體為類球狀,顆粒尺寸在10-20 μm之間,經(jīng)過煅燒后基本保持球形形貌,但尺寸有所減小。LiNi0.8Co0.15 Al0.05O2微納球形二次顆粒是由尺寸為100-200nm左右的一次納米顆粒團(tuán)聚而成的微米級(jí)二次顆粒,材料振實(shí)密度為2.38 g cm-3,高于由(Ni0.8Co0.15Al0.05) (OH)2同樣前驅(qū)固相法制備的LiNi0.8Co0.15 Al0.05O2。材料比表面積為19.1 m2g-1,通過BET測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn)一次顆粒之間存在著納米孔隙。電性能方面,0.1 C時(shí)首圈放電比容量為192 mAhg-1,庫(kù)倫效率為93%。在1C時(shí)放電比容量為146 mAhg-1,經(jīng)過100次循環(huán)后容量保持率約為93%。在0.5 C,1 C,2C,5 C, 10 C以及20 C倍率下,首圈放電比容量分別為170,147,133,124,100和68 mAhg-1。以Li4Ti5O12微納球形二次顆粒為負(fù)極,0.5Li2MnO3·0.5LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2微納球形二次顆粒為正極,組裝負(fù)極過量全電池。組裝的Li4Ti5O12/0.5Li2MnO3·0.5 LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2全電池在0.03 C(基于正極NCM,電流密度為10 mAg-1)倍率下,首圈放電比容量(基于正極活性物質(zhì)質(zhì)量)為273 mAh g-1,庫(kù)侖效率為88%。該全電池的能量密度為205Wh kg-1,體積比能量為82 Wh L-1。全電池在0.1 C和0.2 C時(shí)放電比容量分別為243 mAh g-1和224 mAh g-1,經(jīng)過50次循環(huán)后容量保持率均為80%左右,循環(huán)性能需要改進(jìn)。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 電極材料 微納球形顆粒 振實(shí)密度 噴霧干燥法
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O646;TM912
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第一章 緒論14-26
• 1.1 鋰離子電池的發(fā)展歷史14-15
• 1.2 鋰離子電池的工作原理15-16
• 1.3 常見商用鋰離子電池電極材料在電動(dòng)車領(lǐng)域遇到的挑戰(zhàn)16-17
• 1.4 電動(dòng)車用鋰離子電池候選材料17-24
• 1.4.1 鈦酸鋰(LTO)負(fù)極材料17-20
• 1.4.2 富鋰錳基層狀氧化物(NCM)正極材料20-23
• 1.4.3 LiNi_(0 8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2(NCA)正極材料23-24
• 1.5 選題意義及研究?jī)?nèi)容24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法26-29
• 2.1 材料制備26-27
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑26-27
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器27
• 2.1.3 制備方法27
• 2.2 材料表征27
• 2.3 電化學(xué)測(cè)試27-29
• 2.3.1 電極片制備27-28
• 2.3.2 電池組裝28
• 2.3.3 電化學(xué)性能測(cè)試28-29
• 第三章 噴霧干燥法制備碳包覆Li_4Ti_5O_(12)微納球形二次顆粒及電化學(xué)性能研究29-39
• 3.1 LTO微納球形二次顆粒制備流程29-30
• 3.2 LTO微納球形二次顆粒形貌結(jié)構(gòu)表征30-35
• 3.3 LTO微納球形二次顆粒的電化學(xué)性能測(cè)試與分析35-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第四章 噴霧干燥法制備0.5Li_2MnO_3·0.5 LiNi_(0.4)Co_(0.2)Mn_(0.4)0_2微納球形二次顆粒及電化學(xué)性能研究39-49
• 4.1 NCM微納球形二次顆粒制備流程39-40
• 4.2 NCM微納球形二次顆粒結(jié)構(gòu)表征40-45
• 4.3 NCM微納球形二次顆粒電化學(xué)性能的測(cè)試與分析45-48
• 4.4 本章小結(jié)48-49
• 第五章 噴霧干燥法制備LiNi_(0 8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2微納球形二次顆粒及電化學(xué)性能研究49-58
• 5.1 NCA微納球形二次顆粒制備流程49-50
• 5.2 NCA微納球形二次顆粒結(jié)構(gòu)表征50-54
• 5.3 NCA微納球形二次顆粒電化學(xué)性能的測(cè)試與分析54-56
• 5.4 本章小結(jié)56-58
• 第六章 LTO/NCM全電池組裝與電化學(xué)性能研究58-64
• 6.1 LTO/NCM全電池組裝58-60
• 6.2 LTO/NCM全電池電化學(xué)性能測(cè)試與分析60-62
• 6.3 本章小結(jié)62-64
• 第七章 總結(jié)與展望64-67
• 7.1 總結(jié)64-66
• 7.2 展望66-67
• 碩士期間科研成果列表67-68
• 致謝68-69
• 參考文獻(xiàn)69-77

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本文編號(hào)：277640