本文關(guān)鍵詞：富鋰層狀氧化物正極材料的表面包覆改性研究

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 正極材料 富鋰層狀氧化物 溶膠凝膠法 表面包覆 氧化鋁 聚并苯

【摘要】：鋰離子電池技術(shù)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了移動電子設(shè)備,混合動力汽車和電動汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。但是,目前鋰離子電池循環(huán)壽命短,能量密度低等問題成為了電動汽車進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。富鋰層狀氧化物正極材料(LLMO)具有電化學(xué)容量高(250 m Ah/g),工作電壓高,成本低和環(huán)境友好等特點,在最近幾年里倍受研究者的關(guān)注。然而,LLMO正極材料也存在倍率容量低、循環(huán)性能差等缺點。針對以上這些問題,本論文以溶膠凝膠法(Sol-gel)制備了LLMO正極材料,并對其進(jìn)行表面包覆改性研究。與傳統(tǒng)的固相法和共沉淀法相比,Sol-gel法能夠制備出組分更均勻,晶體結(jié)構(gòu)更完整,電化學(xué)性能更優(yōu)異的LLMO正極材料。在本論文中,我們研究了葡萄糖,蔗糖和檸檬酸作為絡(luò)合劑對LLMO正極材料結(jié)構(gòu)和性能的影響,并且探討了這三種絡(luò)合劑的絡(luò)合機理。試驗結(jié)果分析表明,以蔗糖作為絡(luò)合劑制備出的LLMO正極材料具有更加優(yōu)異的電化學(xué)性能,在0.2C倍率下有258.4 mAh/g的化學(xué)容量,并且經(jīng)過100次循環(huán)后有94.8%的容量保持率。利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM),快速傅里葉變換(FFT),X射線光電子能譜(XPS)和X射線衍射(XRD)等分析表征了LLMO正極材料的元素價態(tài)分布和在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,并且證實了以蔗糖作為絡(luò)合劑合成出的LLMO正極材料具有更加優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,分析結(jié)果為Sol-gel法制備LLMO正極材料中絡(luò)合劑的選擇提供了重要依據(jù)。針對LLMO正極材料在循環(huán)過程中過渡金屬離子溶解的問題,采用表面包覆的改性方法在正極材料顆粒表面包覆一種物理化學(xué)性能優(yōu)異的材料能夠有效的阻止電解液對正極材料的腐蝕,對正極材料起到一定的保護(hù)作用。在本論文中,以異丙醇鋁(AIP)作為鋁源,通過水熱輔助的方法,在LLMO正極材料表面包覆了一層高度結(jié)晶的Al_2O_3。Al_2O_3晶體包覆層能夠有效的保護(hù)LLMO正極材料,使LLMO正極材料的電化學(xué)性能得到了顯著的改善,在0.1倍率下有268.2 mAh/g的電化學(xué)容量,并且在1C倍率經(jīng)過100次循環(huán)后有98%的容量保持率。利用HRTEM以及FFT等分析方法,我們證實了包覆改性能夠有效的阻止電解液對LLMO正極材料的腐蝕,提高循環(huán)穩(wěn)定性,并且高度結(jié)晶的Al_2O_3晶體包覆層能夠緩解LLMO正極材料在循環(huán)過程中的體積變化,增強正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在LLMO表面構(gòu)建介孔Al_2O_3/聚并苯(PAS)雙層包覆結(jié)構(gòu)。雖然Al_2O_3包覆改善了LLMO正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性,但是Al_2O_3屬于電子絕緣體,它是一種非導(dǎo)電氧化物,采用單純的Al_2O_3包覆降低了LLMO正極材料的電化學(xué)容量。PAS是一種導(dǎo)電高分子聚合物,在LLMO正極材料表面包覆一層PAS可以提高其導(dǎo)電率和電化學(xué)容量。但單層的PAS包覆層不能夠有效的阻止電解液的腐蝕作用,而外層的介孔Al_2O_3結(jié)晶相保護(hù)了LLMO正極材料和PAS包覆層,還為Li~+離子提供了更短的傳輸路徑。電化學(xué)結(jié)果顯示該正極材料在0.1C倍率下有280 mAh/g的電化學(xué)容量,并且在0.2C下經(jīng)過100次循環(huán)后有98%的容量保持率。采用HRTEM對100次充放電循環(huán)后的電極材料分析后發(fā)現(xiàn),具有雙層表面包覆結(jié)構(gòu)的LLMO正極材料并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,說明介孔Al_2O_3結(jié)晶相/PAS雙層表面包覆結(jié)構(gòu)的構(gòu)建能夠有效改善LLMO正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 正極材料 富鋰層狀氧化物 溶膠凝膠法 表面包覆 氧化鋁 聚并苯
【學(xué)位授予單位】：長沙理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 鋰離子電池12-13
• 1.3 正極材料13-18
• 1.3.1 尖晶石錳酸鋰正極材料13-15
• 1.3.2 磷酸鐵鋰正極材料15-16
• 1.3.3 鈷酸鋰和三元層狀正極材料16-18
• 1.4 富鋰層狀氧化物正極材料18-23
• 1.4.1 富鋰層狀氧化物正極材料的制備19-21
• 1.4.2 富鋰層狀氧化物正極材料的結(jié)構(gòu)特點21
• 1.4.3 富鋰層狀氧化物正極材料的電化學(xué)反應(yīng)特性21-22
• 1.4.4 富鋰層狀氧化物正極材料存在的問題22-23
• 1.5 正極材料的表面包覆改性研究23-26
• 1.5.1 正極材料的表面包覆材料23-25
• 1.5.2 正極材料的表面包覆方法25-26
• 1.6 本論文的研究思路和研究內(nèi)容26-29
• 第二章 實驗設(shè)備與表征方法29-35
• 2.1 實驗設(shè)備和藥品29-30
• 2.2 表征方法30-33
• 2.2.1 X射線衍射(X-ray Diffraction)30-31
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy)31
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy)31-32
• 2.2.4 傅里葉紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)32
• 2.2.5 電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy)32-33
• 2.3 復(fù)合電極的制備及電池的測試33-35
• 2.3.1 復(fù)合電極的制備及電池的組裝34
• 2.3.2 電池的測試34-35
• 第三章 溶膠凝膠法制備富鋰層狀氧化物正極材料35-55
• 3.1 概述35-36
• 3.2 實驗部分36-38
• 3.2.1 富鋰層狀氧化物正極材料的制備36-37
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)與形貌表征方法37
• 3.2.3 電化學(xué)表征方法37-38
• 3.3 結(jié)果分析與討論38-53
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)與微觀形貌38-45
• 3.3.2 電化學(xué)性能45-51
• 3.3.3 富鋰層狀氧化物正極材料的晶體結(jié)構(gòu)演變51-53
• 3.4 本章小結(jié)53-55
• 第四章 結(jié)晶相氧化鋁的表面包覆改性研究55-70
• 4.1 概述55-57
• 4.2 實驗部分57-58
• 4.2.1 富鋰層狀氧化物正極材料的制備57
• 4.2.2 可控結(jié)晶相Al_2O_3的表面包覆改性57
• 4.2.3 結(jié)構(gòu)與形貌表征方法57-58
• 4.2.4 電化學(xué)表征方法58
• 4.3 結(jié)果分析與討論58-69
• 4.3.1 晶體結(jié)構(gòu)與微觀形貌58-61
• 4.3.2 電化學(xué)性能61-65
• 4.3.3 正極材料的晶體結(jié)構(gòu)演變65-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第五章 介孔結(jié)晶相氧化鋁/聚并苯雙層包覆結(jié)構(gòu)的構(gòu)建70-90
• 5.1 概述70-72
• 5.2 實驗部分72-74
• 5.2.1 正極材料的合成72
• 5.2.2 PAS包覆改性72-73
• 5.2.3 雙層包覆結(jié)構(gòu)的構(gòu)建73
• 5.2.4 表征方法73-74
• 5.2.5 電化學(xué)表征方法74
• 5.3 結(jié)果分析與討論74-89
• 5.3.1 形貌與微觀結(jié)構(gòu)的表征與分析74-82
• 5.3.2 電化學(xué)性能82-87
• 5.3.3 雙層包覆結(jié)構(gòu)對相轉(zhuǎn)變的抑制作用87-89
• 5.4 本章小結(jié)89-90
• 結(jié)論90-92
• 參考文獻(xiàn)92-105
• 致謝105-107
• 附錄A107-108
• 附錄B108

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本文編號：791758