【摘要】：隨著通訊設(shè)備、便攜式設(shè)備、電動汽車以及儲能的發(fā)展,人們對二次電池的需求越來越高,鋰離子電池作為高能量密度、高循環(huán)壽命的儲能體系越來越受關(guān)注,進(jìn)一步提高鋰離子電池的能量密度一直是科研工作者研究的重要課題。富鋰錳基正極材料由于具有遠(yuǎn)高于其它傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料的容量和能量密度而受到高度評價(jià),是下一代鋰離子電池正極材料的有力競爭者。但是富鋰材料自身的循環(huán)穩(wěn)定性特別是循環(huán)過程中的電壓衰減問題一直是影響它實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。本文對富鋰材料Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2進(jìn)行改性研究,采用不同的方法改善它的電化學(xué)性能,主要包括以下幾個(gè)方面:1.通過簡單的機(jī)械混合和熱處理的方式將鋁基有機(jī)金屬框架材料(MOFs)作為包覆物的前驅(qū)體對富鋰材料進(jìn)行包覆,極大地改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性和整體電化學(xué)性能。在2.0-4.8V電壓范圍,1C電流密度下充放電200圈容量仍有202.0 mAh/g,容量保持率為94.3%,和本體材料相比有很大的提高。然后通過采用不同鋁源進(jìn)行對比,分析不同鋁源的包覆效果對材料的電化學(xué)性能造成的影響,從而得出電化學(xué)性能提高的原因:材料表面的包覆物避免了活性材料和電解液發(fā)生副反應(yīng)造成容量損失,而且避免了表面SEI膜和電極阻抗的增長。另外包覆層均勻且非完全致密,在避免電解液直接接觸的同時(shí)也避免了阻礙鋰離子傳輸。除了減少活性物質(zhì)損失外,包覆層還有利于提高本體材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2.針對富鋰材料的循環(huán)穩(wěn)定性特別是電壓衰減的問題,從材料二級結(jié)構(gòu)入手,設(shè)計(jì)了一個(gè)空心微球結(jié)構(gòu)改善材料相轉(zhuǎn)變、改善材料的電壓衰減。通過利用Mn02空心球作為模板,合成空心球形層狀富鋰材料,電化學(xué)性能(特別是循環(huán)和電壓衰減)相比于實(shí)心微球材料(ILRMS)有非常大地改善。空心微球材料(HLRMS)在1C循環(huán)200圈之后容量保持率為94.7%,而平均電壓在100圈時(shí)保持率97.0%,200圈之后保持率93.5%。電化學(xué)性能的改善歸功于材料的空心二次顆粒,一方面穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu),另一方面抑制材料從層狀相向尖晶石相轉(zhuǎn)變。3.我們從元素?fù)诫s穩(wěn)定結(jié)構(gòu)入手,利用表面Mg元素?fù)诫s,在材料的表層構(gòu)筑一個(gè)穩(wěn)定的支撐層,從而抑制材料由表及里的尖晶石相的轉(zhuǎn)變,改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性并且緩解材料電壓衰減。相較本體材料,表面摻雜質(zhì)量2%的材料在1C電流密度下循環(huán)100圈,容量保持率從73.2%提升到93.4%,平均電壓保持率從91.1%提升到98.6%。研究結(jié)果表明表面摻雜的改性策略對于材料循環(huán)過程的穩(wěn)定性特別是電壓的穩(wěn)定性有很大的提升。
【學(xué)位授予單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912
【圖文】：

１．２鋰離子電池概述逡逑１．２．１邐鋰離子電池的工作原理逡逑電池基本的工作原理示意圖在圖１．１。圖中所示電池是以層狀氧化物作為正逡逑極材料，以石墨碳作為負(fù)極材料。在充電過程中，Ｌｉ＋從正極脫出，并經(jīng)過電解液逡逑進(jìn)入到負(fù)極，之后形成ＬｉＣ６的結(jié)構(gòu)。電子通過外電路從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極補(bǔ)償正逡逑負(fù)極的電荷平衡。放電的過程發(fā)生于此相反的反應(yīng)。因?yàn)樵谶\(yùn)作的過程中，鋰離逡逑子在正負(fù)極之間周而復(fù)始，所以被人們形象地稱為“搖椅電池”邋［１２，１３］。逡逑以商業(yè)化的電池為例，其電池的化學(xué)表達(dá)式為：逡逑（－）Ｃ｜邋１邋ｍｏｌ－Ｌ－＇ＬｉＰＦ６－ＥＣ＋ＤＥＣ｜ＬｉＣｏ0２（＋）逡逑電池反應(yīng)的表達(dá)式：逡逑正極反應(yīng)：ＬｉＣｏ0２＜￣＞Ｌｉｉ．ｘＣｏ0２＋ｘＬｉ＋＋ｘｅ－逡逑負(fù)極反應(yīng)：ｘＬｉ＋＋邋ｘｅ－＋邋６Ｃ＜＾ＬｉｘＣ６逡逑總反應(yīng)：ＬｉＣｏ0２＋６Ｇ＾Ｌｉｉ－ｘＣｏ0２＋Ｌｉ＞ｃＣ６逡逑選用合適的層狀材料作為正極，充放電過程只會略微改變材料的層間距，不逡逑會破壞材料的結(jié)構(gòu)，所以保證了材料充放電反應(yīng)的可逆性［１４］。我們以商業(yè)化的鈷逡逑酸鋰電池為例

邐２５０逡逑Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋（Ｗ邋ｈ邋ｋｇ－１）逡逑圖１．２不同電池的能量密度比較＾逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｃｏｍｐａｒｅ邋ｔｈｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｅｎｓｉｔｙ

ＷＣ逡逑０Ｉ０Ａ０Ｘ０Ａ０Ｉ０ＡＳＩ°Ａ０逡逑圖１．４正交橄欖石型ＬｉＦｅＰ0４的結(jié)構(gòu)UO逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｏｌｉｖｉｎｅ－ｔｙｐｅ邋ＬｉＦｅＰ0４邋ｃａｔｈｏｄｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌ１２３１逡逑ＬｉＦｅＰ0４材料的電導(dǎo)率可以通過碳材料的包覆和納米化來改善［２９］。Ｓａｒａｎａｖａｎ逡逑等人用水熱法制備了邋ＬｉＦｅＰＣＵ納米片（ｂ軸方向？３０－４０ｎｍ）并且在表面包覆了邋５逡逑ｎｍ左右的碳層，材料的倍率性能相比介孔球形的ＬｉＦｅＰＯＶＣ復(fù)合材料有明顯地逡逑改善［３（）］。但是材料的納米化對于提高材料的振實(shí)密度和維持材料表面的穩(wěn)定不逡逑利，因此碳包覆成了改善ＬｉＦｅＰＣＭ電化學(xué)性能的首選方法。研宄表明，碳包覆對逡逑材料性能的影響不僅和包覆量有關(guān)系，還和碳材料結(jié)構(gòu)［３１］，特別是雜化類型、Ｄ／Ｇ逡逑比率［３２］、碳源［３３］、碳厚度［３４］有關(guān)系。Ｐ摻雜的碳包覆可以有效地降低ＬｉＦｅＰ０４材逡逑６逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 馬璨;呂迎春;李泓;;鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題(VII)——正極材料[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2014年01期

2 邢軍龍;楊續(xù)來;;鋰離子電池正極材料中的陽離子混排現(xiàn)象[J];電池工業(yè);2013年05期

本文編號：2754595