高容量锂离子正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.3)Mn_(0.2)O_2的制备与性能

采用化学共沉淀法预先合成球形前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2,再与锂源共混后高温煅烧合成高容量正极材料Li Ni0.5Co0.3Mn0.2O2。探讨了不同烧结制度对材料结构性能的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,产物结构为α-Na Fe O2型层状结构。扫描电子显微镜(SEM)显示材料具有良好的球形形貌。测试材料的电化学性能,在2.75~4.20 V和2.75~4.35 V充放电截止电压,0.5 C充放电电流下,首次放电比容量分别为162.2和172.6 m Ah/g,循环3周后容量保持率分别为96.73%和94.62%。材料还表现出良好的倍率性能。     

工业化LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2阴极材料精细合成条件研究

通过高温固相法合成了层状三元LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2阴极材料,考察了烧结温度和锂过量的微小差别对电极性能的影响。扫描电子显微镜实验证实当烧结温度高于980℃时,合成的样品棱角分明,而在950℃以下合成的样品主要是球形。随着循环的进行,对于在900和930℃合成的样品,放电容量几乎成线性降低;当合成温度高于980℃时,随着循环的进行放电容量呈S型变化。900℃合成的样品初始比容量为170 mAh/g左右(循环窗口3.0~4.3 V),100次以后比容量为140 mAh/g。锂过量6%(摩尔分数)时综合性能较好。     

Pr掺杂LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的制备及电化学性能

通过固相法制备了掺杂Pr的锂离子电池正极材料Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3](1-x)PrxO2(x=0、0.01、0.02、0.03和0.05)。用XRD、SEM、充放电测试、循环伏安测试等研究Pr掺杂对材料结构及电化学性能的影响。适量的掺杂不会改变材料的晶体类型,还能减轻阳离子混排,稳定层状结构。在0.1 C(20 m A/g)下,x=0.02样品的首次放电比容量为186.9 m Ah/g,在5.0 C下循环100次后,容量保持率高达94.9%。     

内多孔型LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2正极材料的制备及性能

控制前驱体的沉淀反应条件,制备出内部疏松外部紧密的Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)(OH)_2前驱体。将前驱体配锂后进行高温烧结,控制烧结条件,最终合成出了内部具有大量孔隙的内多孔型LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2正极材料。X射线衍射光谱法(XRD)测试结果表明,材料有着良好的晶体结构。电性能测试表明,材料在0.2 C下首次放电比容量为175.1 mAh/g,在3 C的大倍率下放电比容量达157.3 mAh/g,倍率性能优异,且在2 C循环100次后,容量保持率达96.2%。以上结果表明,内多孔型的结构有效地提高了LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2正极材料的循环稳定性和倍率性能。     

氢氧化物前驱体制备LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的机理

用共沉淀法制备前驱体Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2,焙烧前驱体与Li2CO3制备Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2。用XRD、SEM和DSCTGA分析焙烧中间产物的结构、形貌及变化,探索制备Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2的机理。随着焙烧温度的升高,前驱体分解成(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4,随后Li2CO3参与反应,形成Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2。Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2的生成在650℃时结束,但层状结构在900℃时才趋于完美。     

粒径对锂离子电池正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2性能的影响

使用不同粒径的前驱体合成LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2,采用X射线衍射仪(XRD)、激光粒度测试仪、粉体电阻率测定仪对合成材料的晶体结构、粒度分布、粉体电阻率进行表征,并通过倍率测试和循环测试分析粒径对材料电化学性能的影响。研究结果表明粒径较大的材料拥有更低的粉体电阻率,但倍率和循环性能较差。     

LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2/石墨电池负极的衰减行为

在25℃和5℃下对18650型LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2(NCM523)/石墨电池进行循环性能测试,拆解容量保持率分别为100%和80%的(放电态)电池,用SEM、能量散射谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)和XRD分析,研究石墨负极的形貌、组成和结构,用电感耦合等离子光谱(ICP)测试电解液中过渡金属元素的含量。在25℃下循环,负极表面固体电解质相界面(SEI)膜约161 nm厚,无明显析锂,电解液中w(Ni)约为6.0×10~(-4)%,w(Co)和w(Mn)小于1.0×10~(-4)%;而在5℃下循环,负极表面SEI膜约28 nm厚,有明显的锂枝晶析出,电解液中w(Ni)、w(Co)和w(Mn)分别约为7.1×10~(-3)%、1.3×10~(-3)%和2.0×10~(-3)%。与25℃下负极表面SEI膜生长增厚不同,低温时负极表面会有大量锂枝晶析出,并有过渡金属元素沉积。     

LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2/石墨电池高温失效的机理

以商用LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2/石墨电池为对象，研究锂离子电池在高温(45℃)下的失效机理。SEM-能量散射谱(EDS)、XRD、电化学阻抗谱(EIS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、拉曼光谱和扣式电池测试结果表明:石墨负极表面的固体电解质相界面(SEI)膜持续生长，消耗大量活性Li~+，是失效的主要原因;正极活性材料颗粒破裂，过渡金属元素镍、钴和锰等的溶解析出，负极材料脱落沉积在隔膜上，堵塞小孔，是失效的次要原因。     

三元LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2铝壳锂离子动力电池的性能研究

选用三元材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2为正极材料,中间相炭微球为负极材料,制备了额定容量为10 Ah的铝壳锂离子动力电池,并对电池的电性能和安全性能进行了相关测试。电性能包括充放电性能、倍率性能、循环性能和自放电,实验结果表明,电池表现出了良好的倍率性能,1 C、2 C的放电容量分别为0.5 C放电容量的97.49%、93.70%;在2.7~4.2V电压范围内,电池1 C循环400次后容量保持率为101.77%;电池满电常温搁置28天后容量保持率为97.06%。针刺、短路、过充电和自有跌落测试结果表明电池具有良好的安全性能。     

高温固相法合成LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的电化学性能

以LiOH·H_2O为锂源,采用高温固相法合成LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料,研究合成温度对产物微观形貌和脱锂行为的影响。XRD及SEM分析可知:产物为α-NaFeO_2型层状结构,未发现杂质。在800℃下,合成产物的电化学性能良好,在3.0~4.3 V充放电,电流为28 mA/g时的首次放电比容量为172 mAh/g,第100次循环的比容量为159.4 mAh/g。     

铝集流体对锂离子电池正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2性能的影响

用化学蚀刻法制备了微孔铝集流体,通过扫描电镜(SEM)、剥离强度测试、充放电测试和电化学阻抗谱(EIS)测试等方法研究了铝箔表面形貌及其作为正极集流体对锂离子电池正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2电化学性能的影响。结果表明:蚀刻后铝集流体表面为蜂窝状结构,孔径在5~20 mm,其作为正极集流体制备的样品剥离强度显著提高,0.2 C首次充放电比容量分别为198.70和176.80 mAh/g,首次充放电效率为88.98%。8.0 C循环5次后的放电比容量为134.04m Ah/g,容量保持率仍有75.81%,1.0 C循环50次后放电比容量为161.15 mAh/g,容量保持率为95.62%,倍率和循环性能优良。     

合成时间对LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2结构与电化学性能的影响

采用球形Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体与Li2CO3混合,通过高温烧结合成层状Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料,研究了合成时间对材料结构及电化学性能的影响。扫描电子显微镜法(SEM)表明Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料与前驱体形貌均为理想的球形。X射线衍射光谱法(XRD)分析表明,在不同合成时间下合成的样品均为具有层状结构的纯相物质。电化学性能测试表明,900℃12 h合成的样品具有最优的电化学性能,在2.7~4.4 V电压区间,0.1 C、1 C、5 C的首次放电比容量分别达到195.2、158.4和114.9 m Ah/g,1 C循环10次容量保持率为98.9%。     

LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2-LiMn_(0.7)Fe_(0.3)PO_4混合正极电池性能研究

以Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2和Li Mn0.7Fe0.3PO4混合材料为正极活性物质、人造石墨为负极活性物质,制备锂离子电池。两种正极材料均为球形,粒径分布相近,D50分别为7.93μm和7.21μm。差示扫描量热测试结果表明:混合正极的热分解温度较高(263℃)且放热量小。分别以Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2、Li Mn0.7Fe0.3PO4和两者质量比为78∶22的混合材料制备电池,以1 C在3.0~4.2 V充放电,循环300次的容量保持率分别为92.8%、97.0%和97.6%。混合正极电池2 C倍率放电容量保持率为94.0%,在针刺和过充等测试过程中不起火、不爆炸。     

Y_2O_3/Al_2O_3复合包覆对LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2电化学性能的影响

以Y_2O_3和Al_2O_3溶胶为包覆前驱物,对LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2进行了表面包覆改性。X射线衍射光谱法(XRD)测试表明,Y_2O_3/Al_2O_3包覆并未影响LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的晶体结构,仍为良好的a-NaFeO_2层状结构。扫描电子显微镜法(SEM)测试表明,氧化物在正极材料表面均匀分布。与未包覆LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2相比,3.0~4.4 V测试电压下,Y_2O_3/Al_2O_3包覆后的容量保持率提高了约15%。CV和EIS测试表明,Y_2O_3/Al_2O_3包覆后LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的极化和电荷转移电阻明显减小,有效降低了电解液与正极材料的副反应,提高了电化学性能。     

石墨烯包覆LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料的性能

以共沉淀法制备LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2为基体,通过机械球磨制备石墨烯包覆的LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料。用SEM、XRD和电化学性能测试研究材料的形貌、晶体结构和电化学性能。制备的石墨烯包覆LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2正极材料具有较好的倍率特性和循环性能:200℃热处理的1.0%石墨烯包覆样品,在3.0~4.3 V充放电,4.0 C放电比容量达到144.3 mAh/g,比基体材料提高16.1%;以1.0 C循环100次的放电比容量达到151.2 mAh/g,循环性能良好。     

碳酸盐共沉淀法制备LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2

采用碳酸盐共沉淀法制备了LiNi0.5Mn0.5O2正极材料。研究了原料中不同锂含量对电极性能的影响。材料分析结果表明,碳酸盐共沉淀法合成的LiNi0.5Mn0.5O2材料中Ni和Mn分布均匀,离子混排小,结构有序。充放电测试结果表明,原料中过量锂的存在极大地改善了LiNi0.5Mn0.5O2材料的循环性能和倍率性能。在2.5~4.5 V的电压范围内,原料中锂未过量的LiNi0.5Mn0.5O2电极首次和80次循环后的放电比容量分别为190.3和153 m Ah/g。当原料中锂过量10%时,LiNi0.5Mn0.5O2电极首次和80次循环后的放电比容量分别为180.2和174.6mAh/g,两种电极的容量保持率分别为80.4%和96.9%。当以4C放电时,未过量和过量10%锂的LiNi0.5Mn0.5O2电极的放电比容量分别为91和100mAh/g。     

微波烧结工艺制备LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料

以乙酸镍、乙酸锰、乙酸锂和柠檬酸为原料,用溶胶.凝胶法制得前驱体,再用微波烧结工艺制备Li Ni0.5 Mn0.5O2正极材料.用ICP-AES、IR和TG-DSC等方法测试前驱体,用XRD、SEM、TEM和SAED等方法分析样品.溶液DH=8、总金属离子浓度为1.333 mol/L时得到的前驱体,在400 ℃下预烧4 h,再以3 kW加热10 min、800 W保持10 min,可制备出高结晶度的层状Li Ni0.5 Mn0.5O2,0.1 C首次充放电效率为96.3%.     

水分对LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2/Li_4Ti_5O_(12)电池高温性能的影响

采用LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2三元正极材料匹配钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12))负极材料,制备8 Ah软包装锂离子电池,注液前分别烘烤24 h和36 h,电芯水分约为0.030%和0.015%,研究水分对电池高温性能的影响。与水分0.015%的电池相比,水分0.030%的电池首次库仑效率较低,极化明显。在55℃下高温搁置7 d后,电池容量保持率和恢复率结果显示:水分0.030%的电池为98.5%和99.4%,而水分0.015%的电池为99.5%和100.1%,均高于0.030%水分的电池;55℃下3 C循环(1.5~2.7 V)第2 000次时,0.030%和0.015%水分的电池容量保持率分别为87.8%和89.4%。较低的水分可提高电池在高温下的搁置和循环性能。     

LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料的电化学性能研究

采用共沉淀法制备LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料。并用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)对材料结构及形貌进行分析。讨论了不同保温时间对LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料的影响,及不同电压下LiNi_(0.5)Mn_(0.5)O_2正极材料的电化学性能。结果表明,保温时间为16 h制备的正极材料电化学性能最优,在0.5 C倍率下,100次后容量保持率为99.02%;材料分别在2.75~4.2 V,2.75~4.3 V,2.75~4.35 V,2.75~4.4 V,2.75~4.5 V,2.75~4.6 V下进行充放电时,首次放电比容量分别135.6、143.6、154.1、165.5、177.9、184.1 m Ah/g。充放电电压越高,循环性能越差。     

压实密度对LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2性能的影响

采用共沉淀-高温固相法,控制压实密度,制备正极材料LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2,并分析样品的结构、形貌及性能。类单晶样品的压实密度为4.0 g/cm3,与二次球颗粒相比,具有良好的形貌、抗压性能和较好的电化学性能。制备的扣式电池以0.1 C放电至2.80 V的比容量为179.9 m Ah/g;在25℃下以1.0 C在2.80~4.35 V循环100次,容量保持率为95.3%。